综述 | TRENDS PLANT SCI：微生物介导的植物抗逆性
编译：笑笑，编辑：谢衣、江舜尧。
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植物在生长发育过程中会受到各种各样的生物和非生物胁迫，诱导其转录组学和代谢组学的变化，导致根和叶片渗出物的变化，进而影响与植物相关的微生物群落。最近的研究表明，这些变化，特别是胁迫后共生微生物数量的增加，有利于植物的生存，并会遗传给后代以提高后代的抗逆性。但是，关于微生物在植物防御中的作用，仍然存在一些未解决的问题，其中许多问题现在可以用一种新的合成群落方法来解决。在本文中，基于目前对植物微生物群落中胁迫诱导变化的理解，作者提出了“DefenseBiome（防御生物群落）”的概念，该概念指导有益微生物合成群落的设计和构建，以提高对植物和微生物间相互作用及植物益生菌发展的基本认知。
论文ID
原名：Microbiome-mediated stress resistance in plants
译名：微生物介导的植物抗逆性
期刊：Trends in Plant Science
IF：14.006
发表时间：2020.04
通讯作者：Brajesh K.Singh
通讯作者单位：澳大利亚西悉尼大学霍克斯伯里环境研究所
内容
1微生物群：植物健康与疾病的交界
植物与根际、叶表面、内胚层和其他部分（如花粉和花蜜）中的大量微生物密切相关，统称为植物微生物群。植物微生物群的结构和寄主功能会因胁迫和环境刺激而改变。最近的研究表明，微生物群落的变化是经过数百万年的共同进化，植物主动寻找与微生物结合来对抗逆境。特别是，植物会采用的一种“呼救”策略，即在受到非生物、害虫或病原体诱导的胁迫时，植物利用一系列化学刺激从环境中结合有益的微生物，以增强其抗胁迫的能力。总的来说，植物和微生物的相互作用对于植物营养素的获取、发育和对各种胁迫的耐受性至关重要。
植物和微生物主要是在根际和根区相互作用，胁迫期间对微生物的吸引力是由多种根系分泌物介导的。根系微生物群的变化会增强植物的抗逆性。酚类化合物对植物吸引有益微生物也很重要。
生物和非生物胁迫导致作物生长和生产力显著下降，是全球粮食安全的重要制约因素。对其中一些胁迫（特别是土传病原体）的化学控制，可能是无效的，建议使用生物工具。微生物工程是可持续提高植物生产力的很有前途的工具。须先系统地了解植物微生物群、信号分子和植物胁迫之间的相互作用。本文探讨了一种综合运用宏基因组学、代谢组学、培养依赖性等方法来了解微生物在植物防御中的作用。提出一个新概念-'DefenseBiome’，利用植物微生物群的应激诱导变化，帮助植物和微生物间相互作用。
2植物和微生物相互作用研究的新方法：结合宏基因组学和代谢组学与合成群落
绝大多数植物微生物的研究是从遗传数据中推断出的功能。但近年来结合代谢组学和培养依赖性合成群落（SynComs）方法的宏基因组学的应用已在研究植物和微生物相互作用中得到了验证（图1）。用结合宏基因组的方法来确定植物相关微生物宏基因组的结构和潜在功能，再通过分离和培养鉴定出细菌、真菌或卵菌来重建一个SynCom。将SynCom添加到无菌植物中进行操作。通过比较胁迫和非胁迫下的植物微生物群，可检测到胁迫诱导的微生物群变化，将胁迫诱导的SynComs应用于植物中可以确定这种变化的生物学相关性（图1）。此外，还可以分析根系分泌物的生化多样性，以确定代谢产物（代谢组学）的存在或浓度的变化，从而确定根系分泌物是如何促进胁迫诱导的微生物群组装。分离关键代谢物，在体外探究其与植物微生物共生体和病原体间的相互作用，进而探究其对植物健康的影响。一些影响根际微生物的植物产品已经被鉴定出来。
图1 植物微生物研究的综合工具。第一步：在野外或实验室确定或产生植物胁迫条件。所示病害为棉株结果期枯萎病，受感染的棉茎呈红褐色（A），健康棉茎为纯白色（B）。健康和受胁迫影响的植物的根和叶被收集并分离到根际土壤和根组织中。第二步：提取土壤和根系基因组DNA和根系分泌物。第三步：通过宏基因组和代谢组学分析，对植物和土壤微生物群落和根系分泌物进行了分析。然后利用生物信息学和统计分析来检测大量增加的微生物和根系分泌物。第四步：对感染植物的胁迫诱导微生物（防御生物群）进行分离、异源培养和重组，使之成为植物应用的SynCom。第五步：将微生物SynCom应用于植物，揭示疾病引起的微生物变化的潜在生物学相关性。第六步和第七步：从上一步采集植物或土壤样本中，研究促进植物生长的机制，如分析植物防御基因表达和植物代谢。这种结合了宏基因组学和代谢组学的方法，正成为更全面地了解植物与微生物相互作用的首选方法。缩写：gDNA，基因组DNA；OTU，操作分类学单位；PGPT，植物促生长性状。
上述方法有望用于植物相关微生物及其代谢产物作为植物生防剂的研究。近年来培养SynComs细菌的能力显著提高。除了使用多种培养基外，分离芯片和选择性培养基可促进分离。用可培养微生物构建的SynComs使植物与微生物相互作用的实验研究成为可能。但是，由于细菌基因组在种内水平上的高度变异和扩增子测序的分类上分辨率有限，以及公开数据库的信息有限，使得从宏基因组分析中分离出特定菌株或物种仍存在重大挑战。此外，在使用组学工具和SynComs方法时，应考虑与土壤环境相关的因素（如异质性和土壤性质），这些因素可显著影响土壤微生物的功能和组成。
3更好地理解微生物在植物防御和免疫系统中的作用
植物免疫系统与其微生物群之间存在着复杂的相互作用，增加了植物应对异质环境的能力和适应性。在与其他土壤和植物相关微生物竞争中存活下来的病原体和共生微生物随后会遇到植物固有免疫系统，主要是微生物相关分子模式（MAMP）触发免疫（MTI）和效应器触发免疫（ETI）。不同植物共生体和植物免疫系统之间的相互作用在很大程度上是未知的，但是可以显着影响植物与胁迫交互作用的结果。共生微生物表达不同的MAMPs，这些MAMPs与病原体表达的MAMPs不完全相同，也可以被位于质膜上的植物模式识别受体（PRRs）感知，并触发细胞内防御信号过程。考虑到共生菌和病原体都能触发MTI和ETI，这就引出了一个问题：植物如何区分病原体中的非度量微生物的分子机制？基于最近的研究，提出共生微生物可以通过三个关键途径减轻植物的拮抗作用：（i）产生有效减少危害的化合物，如ROS产生的酶和降低植物细胞外pH值的有机酸；（ii）修饰、降解或改变MAMP结构，从而减少或规避植物免疫反应；（iii）具有罕见的细胞表面分子，在病原体中可引发植物的重要防御，如第III和第IV类分泌系统（T3SS和T4SS）。下一步重要的是测试这些分子机制，并揭示共生微生物在各种植物条件下如何与植物免疫相互作用。
植物的固有免疫系统不足以阻止土壤或叶际中的敌人。根际、叶面和内生的微生物群落保护植物免受生物胁迫（如昆虫食草和真菌病原体）。在某些情况下，在减少植物生物胁迫方面，结合微生物的重要性大于宿主遗传学的重要性。这可能突出了土壤微生物在形成植物防御相关代谢途径以及诱导MAMP介导的植物防御启动中的关键作用。土壤改善植物防御能力也存在差异；与正常土壤相比，抗病土壤诱导的植物防御基因表达量更多，这可以说是由于不同的微生物组成造成的。
最近的研究还表明，具有良好防御和营养吸收能力的作物，也可以说，在根际具有一致的微生物特征，这表明植物表型和根微生物群功能之间有着密切的联系。如，氮肥利用效率高的水稻品种比非氮肥利用效率高的具有更多氮代谢能力的微生物群。在胁迫条件下的植物可以平衡这种微生物介导的养分吸收和防御。在拟南芥中，控制磷胁迫反应的磷饥饿反应1（PHR1）也是功能相关的植物免疫系统基因的直接调节因子，有助于根微生物的组装。总的来说，微生物群在植物防御调节中的作用才刚开始被认识，这为提高对植物微生物生存和生长的策略的理解提供了一个重要的机会。
4应用于植物胁迫益生菌的“呼救”策略
植物不仅利用环境衍生的微生物群来抑制病原体和调节其免疫系统，还可以从环境中吸引有益的微生物来应对特殊的胁迫，创造“呼救”策略。这一策略对植物及其后代的生存都至关重要；在某些情况下，植物在特定的胁迫下，可以导致植物与微生物之间的相互作用，并遗传给后代。
微生物对根系分泌物和其他根系输入物的变化反应迅速。干旱、光照限制、金属毒性和营养不良等非生物胁迫会改变植物根系代谢和微生物群落。在一些情况下，根系环境（如干旱）中的特定微生物的胁迫诱导富集可以提高植物的耐胁迫能力。在特定的胁迫下微生物和植物存在协同适应策略。缺磷或缺氮增加了植物与有益微生物的共生以吸收养分。越来越多的证据表明，除了经典的“适应或迁移”策略外，植物利用“呼救”策略使它们能够从胁迫下的微生物组合中获益。
植物激素驱动的长距离信号在植物系统获得抗性中起着至关重要的作用，使植物能够长期适应逆境。叶片损伤和施用激素改变了根际的微生物组合，招募一些可能增强植物防御能力的细菌。尽管叶面微生物群落的结构和功能至关重要，但目前尚不清楚叶面微生物群落是如何对不同范围的根和叶胁迫作出系统反应的。健康的植物组织可以感知来自受胁迫组织的“危险”信号，但这些信号是什么以及它们如何影响健康的叶面微生物群还尚待研究。如果发生这种化感反应，是否会对同一植物和邻近植物的防御能力产生积极影响？有研究表明，植物挥发性排放物（如挥发性有机化合物）会影响叶际微生物群，但由疾病引起的植物微生物群变化的性质和影响仍然有限。总的来说，需要更多的研究来阐明这种“呼救”策略的机制，并确定精确的代谢物来控制受胁迫植物和微生物之间的相互作用。
5所有数量增加的微生物都有益吗？“防御生物群落”的概念
几种重要的机制可以导致特定植物相关微生物的数量增加（图2）。考虑到病原体或食草动物的攻击，其机制可包括以下几点：
（i）胁迫会调节叶或根的分泌物分布（通过生物合成、运输和分泌过程），从而吸引特定的细菌或真菌。如，为了应对叶病原菌的攻击，拟南芥的根会分泌大量的柠檬酸，以吸引有益的枯草芽孢杆菌进入根际。
（ii）有益微生物数量增加，利用抗菌化合物和群体感应猝灭分子等生物武器争夺资源和空间，抑制病原体生长和毒性。
（iii）由于营养的相互依赖而导致微生物共存，尤其是在营养不良的条件下。在这种情况下，一种微生物的代谢物可被群落其他成员利用，从而可导致两种微生物菌株在植物胁迫下同时增加。
（iv）病原体或食草动物有利于特定微生物的生长和增殖。
图2特定微生物富集对植物防御和适应性的影响。为了应对植物的胁迫，许多微生物的数量或比例都在增加。这种增加对植物健康和生长的生物学相关性的研究表明，在许多情况下，它们有利于植物防御。但是，复杂的微生物与微生物和植物与微生物之间的相互作用对植物的负面影响是可能存在的，但目前尚不清楚。
总结与展望
SynComs、宏基因组学和代谢组学方法的使用已解决植物与微生物相互作用研究的瓶颈，但是关键的知识缺口仍然存在，特别是在不同胁迫下微生物组变化的生物学相关性方面。超越单一的宏基因组分析的简单关联，全面解释多组学和植物生理反应数据，以及通过体外和体内实验进行适当的验证，将是下一步研究的关键。为了更好地了解植物对生物胁迫和非生物胁迫的防御机制，本文提出了一种综合植物遗传学、生理学、植物免疫和防御生物学的系统方法。这些知识对于开发以生物为基础的解决方案来提高农业生产力和环境可持续性至关重要。对胁迫诱导的微生物群落变化的生物学原理的全面理解，也将有助于设计特定的防御生物群落和化学物质来对抗作物胁迫。
未解决的问题
（1）从环境中吸收有益微生物来克服植物界胁迫的策略有多大用处？
（2）“呼救”策略是否存在于地上植物（叶子和花）以及根部？
（3）植物利用什么信号分子来吸引防御生物群落，植物如何维持这些信号分子的活性和丰度？
（4）如何在植物分子机制方面区分有益微生物和致病微生物？
（5）不同的植物阶段、胁迫和环境条件（土壤类型、pH值、营养水平）如何影响生物防御系统的结构和功能？
（6）在疾病发生的不同阶段，植物微生物群在多大程度上有助于宿主防御？
（7）胁迫对邻近植物微生物群落的结构和功能是否有同素异形的影响？
（8）植物生理和防御条件的变化如何影响叶际微生物群的保护程度？
（9）植物微生物如何调节宿主代谢途径？
（10）在生理上连接地下和地上部的相互作用的宿主与微生物群代谢、信号和免疫疾病轴是什么？
（11）综合植物生理学、植物免疫系统和防御生物群以识别系统响应胁迫条件的关键步骤是什么？
（12）土壤动物群在土壤和植物相关微生物群落的形成中起着关键作用；在胁迫条件下，它们如何影响植物与其相关微生物之间的相互作用？
本文提出的未解决问题将会是研究领域下一步的探索热点。
原文网址：https://doi.org/10.1016/j.tplants.2020.03.014