艾 超， 孫靜文， 王秀斌， 梁國(guó)慶， 何 萍， 周 衛(wèi)

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，農(nóng)業(yè)部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

植物根際沉積與土壤微生物關(guān)系研究進(jìn)展

艾 超， 孫靜文， 王秀斌， 梁國(guó)慶， 何 萍， 周 衛(wèi)*

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，農(nóng)業(yè)部植物營(yíng)養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

【目的】活躍的根際微生物被喻為植物的第二套基因組，在植物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。植物通過(guò)根際碳沉積影響根際土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能;作為根際微生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)流、能量流和信息流，根際碳沉積是連接大氣、植物和土壤系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要紐帶;因此，理解根際碳沉積在根際微生態(tài)中的作用對(duì)于提高植物抗逆性，增加作物產(chǎn)量，調(diào)控根際養(yǎng)分循環(huán)等方面具有重大的理論意義。【主要進(jìn)展】本文就近年來(lái)關(guān)于根際微生物領(lǐng)域的研究成果，重點(diǎn)綜述了根際微生物多樣性和組學(xué)研究;根際碳沉積的組成和產(chǎn)生機(jī)理;根際微生物群落結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制;根際微生物在促進(jìn)作物養(yǎng)分吸收、提高作物抗逆性等方面的生態(tài)功能;以及氣候變化和長(zhǎng)期施肥對(duì)植物-微生物互作關(guān)系的影響。在此基礎(chǔ)上我們提出了未來(lái)可能的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向: 1)植物根際沉積物原位收集方法和檢測(cè)技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展;2)穩(wěn)定同位素探針與分子生態(tài)學(xué)技術(shù)的結(jié)合，將植物、土壤和微生物三者有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，綜合分析根際界面中微生物的活性與功能; 3)高通量測(cè)序、組學(xué)技術(shù)和生物信息學(xué)等新技術(shù)的引入勢(shì)必使根際微生物學(xué)研究發(fā)生革命性的變化; 4)隨著全球氣候變化和土壤肥力改變，例如全球變暖、CO2濃度升高和長(zhǎng)期施用化肥，根際沉積物在植物-土壤-微生物中的分配與調(diào)節(jié)機(jī)制，以及這種環(huán)境選擇壓力下植物如何誘導(dǎo)根際促生菌發(fā)揮更大作用。希望通過(guò)平衡作物與微生物之間的相互關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)作物的高產(chǎn)高效，促進(jìn)農(nóng)田的可持續(xù)利用。

根際沉積; 根際微生物; 碳分配; 宏基因組學(xué); 植物-微生物相互作用

植物-土壤微生物之間的相互作用很早就為人們所關(guān)注。1904年，德國(guó)微生物學(xué)家Lorenz Hiltner提出了“根際(rhizosphere)”這一概念，用以描述植物根系分泌物對(duì)土壤微生物的影響[1]。以后的100多年里，這一概念被廣泛地應(yīng)用于土壤學(xué)、植物學(xué)和微生物學(xué)領(lǐng)域。植物根系表面這一特殊的土壤界面具有極高的微生物多樣性，是地球上最復(fù)雜的微生物群落之一。研究表明，植物根表定殖的各種微生物細(xì)胞密度遠(yuǎn)大于植物體內(nèi)細(xì)胞密度，同時(shí)根際微生物所擁有的基因數(shù)量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)植物基因[2]。如同人體腸道微生物組，根際微生物組好比植物的第二套基因組，對(duì)植物的生長(zhǎng)和發(fā)育、養(yǎng)分獲取、植物病蟲(chóng)害防御和產(chǎn)量提升起著至關(guān)重要的作用。因此，植物和根際微生物被比喻成一個(gè)“超級(jí)生物體”(superorganism)，植物通過(guò)根際微生物獲得某些特定的功能，同時(shí)釋放部分光合作用所固定的碳，為這些微生物提供基質(zhì)和能量[3]。隨著基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，有關(guān)植物根際微生物組學(xué)的研究也在不斷的深入和發(fā)展。通過(guò)改善根際微生物生態(tài)環(huán)境來(lái)促進(jìn)植物生長(zhǎng)、增加植物抗逆性等方面的研究正日益成為人們的研究熱點(diǎn)。

1 根際微生物多樣性

1.1 根際微生物群落結(jié)構(gòu)

近年來(lái)，大部分關(guān)于根際微生物的研究主要集中于細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的分析。根據(jù)研究方法和研究對(duì)象的不同，植物根際操作分類(lèi)單元(OTU)的數(shù)量在300～55000之間[3-8];這些研究均表明，變形菌(尤其是假單胞菌科和伯克氏菌科)是根際中最為豐富的優(yōu)勢(shì)菌群;這可能與變形菌的r-生長(zhǎng)策略有關(guān)，因?yàn)榇蟛糠肿冃尉L(zhǎng)速度較快，能廣泛地利用各種根際分泌物。利用454高通量測(cè)序分析，Uroz等[9]發(fā)現(xiàn)菌根根際(Xerocomuspruinatus和Sclerodermacitrinum)相比非根際土壤擁有更加豐富的α-、β-、γ-變形菌?；蛐酒夹g(shù)也被用來(lái)分析不同植物的根際微生物群落結(jié)構(gòu)，Weinert等[5]研究發(fā)現(xiàn)三種不同馬鈴薯根際土壤OTU數(shù)量在1444～2015之間，根際的優(yōu)勢(shì)菌群為變形菌(46%)、厚壁菌(18%)、放線菌(11%)、擬桿菌(7%)、酸桿菌(3%);隨著新一代系統(tǒng)發(fā)育芯片(PhyloChip)的產(chǎn)生，其探測(cè)的OTU數(shù)量能夠達(dá)到60000個(gè)，其中包括細(xì)菌和古菌的147個(gè)門(mén)和1123個(gè)綱;研究發(fā)現(xiàn)，甜菜幼苗根際OTU數(shù)量超過(guò)33000個(gè)，這些OTU同樣主要分布于變形菌門(mén)、厚壁菌門(mén)和放線菌門(mén)，然而仍有16%的OTU不能被具體劃分[3]。因此我們需要進(jìn)一步發(fā)展具有更高分辨率的方法去探索根際微生物組的結(jié)構(gòu)和功能多樣性。

1.2 根際微生物的組學(xué)研究

一直以來(lái)，由于傳統(tǒng)微生物學(xué)研究方法的缺陷，土壤和根際微生物多樣性被大大低估。隨著基于免培養(yǎng)的(culture-independent)現(xiàn)代分子生態(tài)學(xué)方法的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)環(huán)境中僅有1%的微生物是可以通過(guò)傳統(tǒng)微生物方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)，而絕大部分環(huán)境微生物是不可培養(yǎng)的。Handelsman等[10]于2008年首次提出了環(huán)境中全部微小生物基因組總和的宏基因組(metagenome)概念，把土壤微生物的研究引入了一個(gè)新的發(fā)展階段。Gans等[11]預(yù)測(cè)1g土壤中含有1百萬(wàn)個(gè)細(xì)菌基因組，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了之前人們的預(yù)測(cè);兩年后，Roesch等[12]從西半球四個(gè)不同土壤樣品中獲得了139819個(gè)細(xì)菌rRNA基因，以及9340個(gè)泉古菌rRNA基因，OTU數(shù)量最多可達(dá)到52000，α-、β-變形菌和擬桿菌數(shù)量在各土壤中含量最多，此外他們還發(fā)現(xiàn)森林土壤在門(mén)水平上分類(lèi)更加豐富，而農(nóng)業(yè)土壤在門(mén)水平上分類(lèi)相對(duì)較少，相反在種水平上分類(lèi)更加豐富。建立根際宏基因組克隆文庫(kù)，是研究不可培養(yǎng)微生物生態(tài)功能的關(guān)鍵方法，也是挖掘微生物基因資源的重要途徑;Lee等[13]構(gòu)建了3個(gè)辣椒和草莓根際宏基因組文庫(kù)后，獲得了142900重組質(zhì)粒，其中14個(gè)具有脂肪分解活性，通過(guò)對(duì)活性最高的pFLP-2質(zhì)粒測(cè)序發(fā)現(xiàn)了一個(gè)1191 bp，編碼397個(gè)氨基酸的酯酶基因estD2，該酶可能屬于脂解酶的一個(gè)新家族。利用宏轉(zhuǎn)錄組技術(shù)對(duì)小麥、燕麥、豌豆以及燕麥突變體(不能夠產(chǎn)生抗真菌物質(zhì)avenacins)根際微生物區(qū)系研究后發(fā)現(xiàn)，豌豆(豆科植物)相比小麥和燕麥具有更強(qiáng)的根際效應(yīng)，根際擁有更加豐富的真菌數(shù)量;三種作物在根際代謝功能上有顯著差異，谷物類(lèi)植物擁有活躍的纖維素降解活性，而豌豆根際H2氧化能力更強(qiáng)[14]。

2 植物根際沉積

2.1 根際沉積的概念與組成

根系損失到土壤中的總碳被稱(chēng)為根際沉積(rhizodeposition)。這些植物源碳不僅改變了根際界面的物理化學(xué)特性，而且也是聯(lián)系植物、土壤及微生物的橋梁，直接影響植物-微生物相互作用平衡。根際沉積物包括植物脫落的根系細(xì)胞和組織、植物粘液、揮發(fā)物，受損細(xì)胞裂解后的可溶性產(chǎn)物及活細(xì)胞的分泌產(chǎn)物。不同植物根際沉積組成差異較大，甚至同一物種不同品系之間也會(huì)有差異。據(jù)估計(jì)，牧草將30%～50%的光合產(chǎn)物分配至地下根部，小麥和大麥等谷類(lèi)作物的分配比例也達(dá)到20%～30%[15]。對(duì)于谷類(lèi)作物，這些分配到根部的碳約有一半保留在根系內(nèi)，其余三分之一被根部細(xì)胞和根際微生物呼吸釋放，剩下的部分被合并至根際微生物體內(nèi)或土壤有機(jī)質(zhì)中[15]。假設(shè)根系和微生物對(duì)根際呼吸作用貢獻(xiàn)相等，那么根際碳沉積約占植物向根系輸入碳的27%，約占植物凈光合作用固定碳的11%[16]。然而這一比例是有爭(zhēng)議的，因?yàn)椴煌墓浪惴椒?、研究手段、研究?duì)象所得到的結(jié)果差異較大;而且根際沉積物中各化合物所占比例在不同植物中差異顯著;例如，根際沉積物中絕大部分是不易揮發(fā)的物質(zhì)，這其中糖和氨基酸被認(rèn)為所占比例最大，然而我們忽略了一點(diǎn)，在進(jìn)行根際沉積物研究時(shí)，我們通常先將根際溶液進(jìn)行過(guò)濾，這樣大部分根系脫落的細(xì)胞和組織被過(guò)濾掉，然而這部分物質(zhì)在根際碳沉積中所占比例非常重要。

2.2 根際沉積的產(chǎn)生機(jī)制

植物持續(xù)地向根際土壤釋放含碳化合物的過(guò)程可分為被動(dòng)和主動(dòng)兩大類(lèi)。被動(dòng)過(guò)程包括植物體內(nèi)物質(zhì)被動(dòng)擴(kuò)散到土壤中，這一過(guò)程不受植物自身代謝調(diào)控的影響或影響很小;大部分根系分泌物可能均是通過(guò)被動(dòng)過(guò)程釋放到根際，而且主要發(fā)生在根尖的分生區(qū)[17]。根表的一些脫落物質(zhì)的分解也同樣是被動(dòng)釋放過(guò)程，如黑麥根系殘?bào)w降解時(shí)，會(huì)產(chǎn)生阿魏酸、原兒茶酸、鞣酸和香子蘭酸等化感物質(zhì)[18]。主動(dòng)過(guò)程是指植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中或環(huán)境條件變化下，為了實(shí)現(xiàn)某一功能主動(dòng)向土壤中釋放特定物質(zhì)的過(guò)程，植物通過(guò)自身代謝作用能夠控制這一過(guò)程的發(fā)生，例如豆科植物釋放黃酮類(lèi)化合物(flavonoids)誘導(dǎo)根瘤菌基因表達(dá)，從而導(dǎo)致二者共生進(jìn)行固氮作用[19]。最近，徐國(guó)偉等[20]研究發(fā)現(xiàn)氮肥和秸稈還田也影響到根系分泌物的組成;秸稈還田能夠提高水稻根系分泌物中蘋(píng)果酸、琥珀酸以及草酸的含量，降低檸檬酸的比例;根系分泌物中有機(jī)酸和氨基酸總量在秸稈還田后明顯上升。

2.3 根際沉積的產(chǎn)生部位

植物根尖分為根冠、分生區(qū)、伸長(zhǎng)區(qū)和成熟區(qū)。根冠位于根尖的最前端，其外緣細(xì)胞產(chǎn)生和分泌的多糖粘液約占根際碳沉積的2%～12%[17]。隨著根系的生長(zhǎng)，這一部分根冠外緣細(xì)胞將會(huì)脫落釋放到根際土壤中，約占整個(gè)根際碳沉積的10%[21]。這些具有一定生物活性的細(xì)胞會(huì)影響根際微生物的結(jié)構(gòu)和功能，包括: 刺激芽孢的形成、抑制病原體、特異性的化學(xué)誘導(dǎo)/排斥等。不同植物的根冠外緣細(xì)胞數(shù)量是不同的，這主要與植物根尖分生組織的類(lèi)型(開(kāi)放型、半開(kāi)放型、封閉型)有關(guān)。封閉型根尖分生組織植物釋放的根冠外緣細(xì)胞最少，例如甘藍(lán)型油菜和擬南芥幾乎不釋放根冠外緣細(xì)胞。根尖分生區(qū)也是根系分泌釋放的重要部位，而且主要是被動(dòng)擴(kuò)散過(guò)程;因?yàn)檫@一區(qū)域的細(xì)胞分裂生長(zhǎng)活性最為強(qiáng)烈，植物向下分配的碳水化合物大量集中在這一區(qū)域，導(dǎo)致根表內(nèi)外形成顯著的電化學(xué)梯度，根系分泌物被動(dòng)的擴(kuò)散至根際土壤[17]。伸長(zhǎng)區(qū)位于分生區(qū)后方約0.5 mm處，其細(xì)胞增長(zhǎng)速率增加10～20倍，相當(dāng)于根尖向前移動(dòng)的速度為0.2～1.0 μm/s[22]。這意味著根冠和分生區(qū)誘導(dǎo)的微生物隨著根尖的前移，將附著在伸長(zhǎng)區(qū)表面。植物根尖成熟區(qū)會(huì)形成大量的根毛，這些根毛分泌大量的粘液來(lái)結(jié)合土壤顆粒，促進(jìn)根系與土壤進(jìn)行物質(zhì)交換。

3 根際微生物群落結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理

3.1 影響根際微生物群落結(jié)構(gòu)的因素

根際微生物受到各種生物或非生物因素的調(diào)控。大量的研究表明，土壤類(lèi)型是影響根際細(xì)菌和菌根真菌群落結(jié)構(gòu)最重要的因素[7, 23-24]。不同土壤類(lèi)型不僅決定了根際微生物區(qū)系的初始狀態(tài)，而且復(fù)雜的土壤物理化學(xué)性質(zhì)還可以調(diào)節(jié)植物生理特性和根際碳沉積模式，間接影響根際微生物區(qū)系。最近的兩項(xiàng)研究中，Lundberg等[23]和Bulgarelli等[7]對(duì)擬南芥根系微生物群落結(jié)構(gòu)在空間上的分布進(jìn)行了詳細(xì)的描述;利用454測(cè)序技術(shù)對(duì)600多株擬南芥的非根際土壤、根際和根內(nèi)三個(gè)部位的細(xì)菌16S rRNA進(jìn)行測(cè)序后發(fā)現(xiàn)，土壤類(lèi)型是根際與內(nèi)生菌群落結(jié)構(gòu)的決定因子，而生長(zhǎng)階段和基因型對(duì)根際和內(nèi)生菌有一定的調(diào)節(jié)作用[7, 23];相比非根際土壤，擬南芥內(nèi)生菌生物多樣性顯著下降，且主要為放線菌和變形菌，其中內(nèi)生變形菌為非特異性的腐生細(xì)菌，可能出現(xiàn)在自然界任何植物的根系細(xì)胞壁表面[7];相反，內(nèi)生放線菌與根系活細(xì)胞有非常密切的關(guān)系[7]。

宿主植物對(duì)根際微生物的影響是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，包括植物類(lèi)型、品種、根系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)量等影響因子。單一的根系分泌物也可能引起根際微生物的連鎖反應(yīng)，例如黃酮類(lèi)化合物不僅可以誘導(dǎo)根瘤菌與宿主進(jìn)行共生固氮，也能刺激病原菌(如大豆霉菌，Phytophthorasojae)生長(zhǎng)、促進(jìn)菌根真菌孢子萌發(fā)和菌絲分支、影響細(xì)菌群感效應(yīng)(quorum sensing)。陳林和張佳寶[25]對(duì)不同玉米品種根際微生物活性和群落結(jié)構(gòu)研究后認(rèn)為，玉米品種之間形態(tài)學(xué)上的差異可能是導(dǎo)致根際微生物結(jié)構(gòu)和功能不同的重要原因。Bulgarelli等[26]總結(jié)了植物根系微生物區(qū)系的形成機(jī)理，并提出了兩步選擇模型(two-step selection model)。在這個(gè)模型中，土壤作為根際微生物最初的資源庫(kù)，決定根際和內(nèi)生菌群落的基本結(jié)構(gòu);第一次選擇過(guò)程中，植物根系碳沉積和細(xì)胞壁將誘導(dǎo)有機(jī)營(yíng)養(yǎng)菌在根際的生長(zhǎng)，導(dǎo)致根際微生物群落結(jié)構(gòu)開(kāi)始發(fā)生變化;第二次選擇過(guò)程中，宿主植物基因型將進(jìn)一步調(diào)整根面和內(nèi)生菌的生長(zhǎng)過(guò)程，形成植物所特有的根系核心微生物區(qū)系。

除土壤、植物類(lèi)型等因素外，種子內(nèi)部和表面微生物對(duì)根際微生物區(qū)系也有潛在影響。目前這方面的研究主要集中在種皮上人工接種的功能微生物，而種子自身所帶微生物對(duì)根際微生物群落的影響(母體效應(yīng))研究較少。Normander等[27]發(fā)現(xiàn)黃瓜幼苗根際微生物主要來(lái)自于土壤而不是種皮，表明種皮微生物對(duì)植物根際微生物群落的組成影響很小。然而種子內(nèi)生菌可能存在不同情況，對(duì)野生型和現(xiàn)代玉米品種研究后發(fā)現(xiàn)，部分種子內(nèi)生菌能夠在根際土壤中定殖[28]，說(shuō)明植物能夠?qū)⒛承┨囟ㄎ⑸飩鬟f給下一代。這種遺傳效應(yīng)對(duì)自然界中植物-微生物相互作用的進(jìn)化發(fā)展有著非常重要的意義。

3.2 植物與微生物之間的根際碳流

近年來(lái)，穩(wěn)定性同位素探針技術(shù)(Stable Isotope Probing，SIP)已成為研究微生物遺傳多樣性與功能多樣性最有力的工具之一。安婷婷等[29]利用13C標(biāo)記方法發(fā)現(xiàn)，覆膜配合施用有機(jī)肥能夠顯著提高玉米對(duì)13C的光合固定數(shù)量，促進(jìn)13C向玉米和土壤中的分配。Lu和Conrad[30]利用RNA穩(wěn)定性同位素探針技術(shù)研究水稻根際碳循環(huán)的關(guān)鍵微生物種群和功能，發(fā)現(xiàn)了一組新古菌的產(chǎn)甲烷功能。Haichar等[31]利用DGGE-SIP技術(shù)，對(duì)四種植物根際微生物碳源利用特征研究后，發(fā)現(xiàn)鞘脂桿菌目(Sphingobacteriales)和粘球菌屬(Myxococcus)主要同化利用根際植物源碳，而鞘脂單胞菌目(Sphingomonadales)對(duì)植物源碳和土壤固有碳均加以利用。通過(guò)耦合穩(wěn)定同位素探針和454高通量測(cè)序技術(shù)，我們的研究發(fā)現(xiàn)小麥根際碳沉積大量被放線菌和變形菌代謝利用，尤其是α-，β-變形菌;而酸桿菌、綠彎菌、厚壁菌、擬桿菌在小麥根際中主要以土壤原始有機(jī)質(zhì)(SOM)為碳源。

大量研究表明，菌根真菌在植物根際碳流分配方面起著非常重要的作用。據(jù)估算[32]，每克土壤中叢枝菌根真菌(AM)菌絲長(zhǎng)度大約為3～30 m，而在一些未干擾的草地土壤中其長(zhǎng)度可達(dá)到68～101 m;外生菌根(EM)菌絲的長(zhǎng)度大概在3～600 m之間，但是這一結(jié)果的可信度有待進(jìn)一步驗(yàn)證，因?yàn)镋M菌絲與其他腐生真菌非常類(lèi)似，我們不能準(zhǔn)確地將二者區(qū)分開(kāi)來(lái)。在自然或半自然的植被系統(tǒng)中，絕大多數(shù)植物均可以與菌根植物共生，這就意味著菌根真菌可能通過(guò)調(diào)節(jié)根際碳流來(lái)影響根際其他微生物的生長(zhǎng)。菌根真菌在根際碳流中的作用主要包括三個(gè)方面: 1)將植物源碳用于自身內(nèi)/外生菌絲的生長(zhǎng);2)作為通道進(jìn)一步將植物源碳釋放到菌根根際中;3)菌根自身作為底物被其他微生物代謝利用。2010年，Drigo等[33]在根際碳流方面提出了一個(gè)概念模型，該模型認(rèn)為菌根植物向根外釋放的光合碳大部分將優(yōu)先分配到菌根體內(nèi)，此過(guò)程在一個(gè)較短的時(shí)間(1 d)內(nèi)完成;隨后，菌根真菌會(huì)逐漸將這些植物源碳釋放至根際(或菌根根際)，供微生物代謝利用。在田間試驗(yàn)條件下，利用13C穩(wěn)定同位素標(biāo)記牧草植物21 h后發(fā)現(xiàn): 植物釋放的碳有5.4%～7.7%被AM真菌菌絲呼吸代謝;3.9%～6.2%被固定在菌絲體內(nèi)[34]。一系列培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果也表明: 植物凈固定碳的7%～30%被分配到EM真菌菌絲中，其中16%～71%通過(guò)呼吸代謝損失[32]。但是這一分配比例可能偏低，因?yàn)槎唐趦?nèi)的標(biāo)記試驗(yàn)只能測(cè)定到碳在細(xì)胞質(zhì)中的分配，而忽略了之前形成的真菌細(xì)胞壁。

4 植物與根際微生物的相互作用

4.1 根際微生物促進(jìn)植物養(yǎng)分的吸收

在根際土壤養(yǎng)分有效性方面，根際微生物發(fā)揮著不可替代的作用。例如，植物碳沉積可以加速微生物對(duì)根際土壤有機(jī)質(zhì)的礦化分解(正激發(fā)效應(yīng))，土壤有機(jī)質(zhì)分解后釋放各種礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)供植物吸收利用。在植物氮、磷養(yǎng)分方面，固氮菌[35]和菌根真菌[36]促進(jìn)植物氮、磷的吸收也是最為典型的例子。植物與菌根真菌共生的意義還在于將土壤中的礦質(zhì)養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)街参矬w內(nèi)、促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成、改善土壤物理結(jié)構(gòu)、抑制土傳病害等。自從根瘤菌屬(Rhizobium)和慢生根瘤菌屬(Bradyrhizobium)被發(fā)現(xiàn)后，不斷有其他固氮微生物在根際中被發(fā)現(xiàn)，例如對(duì)亞馬孫西部的農(nóng)業(yè)土壤研究后發(fā)現(xiàn)，豇豆根際擁有非常高的固氮基因多樣性;室內(nèi)試驗(yàn)和16S rRNA測(cè)序結(jié)果表明，慢生根瘤菌、根瘤菌、伯克氏菌屬(Burkholderia)、無(wú)色桿菌屬(Achromobacter)均具有與豇豆根系進(jìn)行生物固氮的潛力[37]。人們一直希望將這些植物專(zhuān)一性的共生微生物接種至其他重要的糧食作物上，來(lái)改善作物養(yǎng)分狀況和減少肥料施用量，但是目前這一方面的研究進(jìn)展緩慢。Geurts等[38]認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須從本質(zhì)上弄清楚宿主植物根系細(xì)胞對(duì)根瘤菌和菌根真菌的誘導(dǎo)機(jī)理。

根際微生物還可以促進(jìn)植物對(duì)微量元素的吸收，如植物對(duì)鐵的吸收利用。一般土壤中鐵含量較高，但對(duì)于一些中性或堿性土壤，鐵主要以不溶于水的氧化鐵形態(tài)存在，植物不能夠直接利用這種無(wú)效態(tài)鐵。在缺鐵條件下植物有兩套適應(yīng)性機(jī)制來(lái)抵御低鐵脅迫，一般雙子葉植物和非禾本科單子葉植物通過(guò)降低根際pH來(lái)提高根際鐵的有效性(機(jī)理Ⅰ);而禾本科單子葉植物主要是通過(guò)增加植物鐵載體(phytosiderophore)合成和釋放來(lái)促進(jìn)鐵離子的吸收(機(jī)理Ⅱ)。當(dāng)根際中有效鐵含量過(guò)低和過(guò)高時(shí)，根際細(xì)菌也會(huì)通過(guò)分泌鐵載體(siderophore)來(lái)調(diào)控細(xì)胞內(nèi)的鐵離子濃度。研究發(fā)現(xiàn)，這種微生物鐵載體與鐵離子形成的螯合物也可以被植物所吸收。例如，熒光假單胞菌分泌的鐵載體不僅能夠促進(jìn)禾本科植物對(duì)鐵離子的吸收，而且也能夠改善雙子葉植物鐵營(yíng)養(yǎng)狀況[39];少根根霉(Rhizopusarrhizus)分泌的真菌鐵載體能夠促進(jìn)植物對(duì)鐵的吸收[40]。同時(shí)，根際細(xì)菌也能夠激活植物本身的鐵離子吸收系統(tǒng)，菌株GB03能夠上調(diào)FIT1轉(zhuǎn)錄因子(Fe-deficiency-induced transcription factor 1)表達(dá)，誘導(dǎo)產(chǎn)生Fe3+還原酶和鐵轉(zhuǎn)運(yùn)體[41]。

4.2 根際微生物增強(qiáng)植物的病蟲(chóng)害抗性

根際是植物抵御病蟲(chóng)害的重要防線。根際微生物能夠預(yù)防或抵御土傳病害的入侵，涉及到的主要機(jī)制包括: 抗生作用、養(yǎng)分元素(微量元素)的競(jìng)爭(zhēng)、生態(tài)位的競(jìng)爭(zhēng)、寄生現(xiàn)象、干擾群感效應(yīng)等[2]。部分根際細(xì)菌和真菌產(chǎn)生的抗生素能夠抑制競(jìng)爭(zhēng)微生物的生長(zhǎng)和活性，其中木霉屬(Trichoderma)產(chǎn)生的抗性化合物備受人們的關(guān)注[42]。近年來(lái)，根際微生物產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)越來(lái)越受到人們重視。這一類(lèi)物質(zhì)分子量小，擴(kuò)散能力強(qiáng)，盡管所占根際微生物代謝產(chǎn)物比例不大，但是獨(dú)特的性質(zhì)使得其在根際土壤長(zhǎng)距離調(diào)控中發(fā)揮著重要的作用。嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌(Stenotrophomonasmaltophilia)、普城沙雷菌(Serratiaplymuthica)、平凡假單胞菌(Pseudomonastrivialis)、熒光假單胞菌(P.fluorescens)、枯草芽孢桿菌(B.subtilis)、洋蔥伯克霍爾德氏菌(Burkholderiacepacia)等均能產(chǎn)生VOCs抑制植物病原真菌菌絲的生長(zhǎng)[2]。最近的研究結(jié)果表明，植物根系碳沉積能夠影響VOCs的功能，不含氨基酸的根系分泌物加入土壤后釋放的VOCs對(duì)細(xì)菌有強(qiáng)烈的抑制作用，但是對(duì)真菌影響較小;相反，加入氨基酸后VOCs對(duì)真菌也有顯著的抑制作用(Garbeva, 未發(fā)表數(shù)據(jù))。

根際微生物也能夠直接調(diào)節(jié)植物免疫系統(tǒng)[43]。一般情況下，根際益生菌通過(guò)植物激素茉莉酸(JA)和乙烯(ET)途徑來(lái)引起植物的系統(tǒng)防御反應(yīng)[43];但是也有部分細(xì)菌是通過(guò)水楊酸(SA)途徑[2];而根際蠟狀芽孢桿菌(Bacilluscereus)同時(shí)利用這些途徑來(lái)引起植物的系統(tǒng)防御反應(yīng)[44]。此外，根際細(xì)菌群體感應(yīng)信號(hào)分子也引起一系列宿主植物反應(yīng)，包括誘導(dǎo)MPK3、MPK6、WRKY22、WRKY29和Pdf1.2等相關(guān)防御基因的表達(dá)。吳秉奇等[45]對(duì)兩株根際促生菌(YC0573和YC0136)的煙草黑脛病防治效果研究后發(fā)現(xiàn)，溫室條件下YC0573和YC0136的防治效果分別達(dá)到 90.9%和 95.4%，生防菌能夠誘導(dǎo)煙草產(chǎn)生系統(tǒng)抗性(ISR)，包括超氧化物歧化酶、過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化氫酶、苯丙氨酸解氨酶和多酚氧化酶等防御酶活性升高以及葉綠素、電解質(zhì)、相對(duì)滲透率等生理指標(biāo)發(fā)生改變。人們對(duì)根際細(xì)菌引起的宿主植物轉(zhuǎn)錄水平和代謝活性變化進(jìn)行了大量的研究，Weston等[46]發(fā)現(xiàn)兩種不同的熒光假單胞菌(P.fluorescens)均降低宿主植物擬南芥的碳同化量，但是當(dāng)有病原菌丁香假單胞菌(Pseudomonassyringae)感染時(shí)，這兩類(lèi)細(xì)菌均能夠提高植物的抗病能力。這些結(jié)果表明根際細(xì)菌能夠通過(guò)多種方式影響宿主植物的免疫、生理和代謝活動(dòng)，誘導(dǎo)植物產(chǎn)生大量次生代謝產(chǎn)物;分析這些物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和活性，將有利于我們了解它們?cè)谡T導(dǎo)植物系統(tǒng)防御過(guò)程中所起的作用。

4.3 根際微生物增強(qiáng)植物在環(huán)境脅迫下的生存能力

根際微生物能夠增加植物在極端環(huán)境中的生存能力。一株從干旱高鹽環(huán)境分離出的PGPR菌株皮氏無(wú)色桿菌(AchromobacterpiechaudiiARV8)能夠產(chǎn)生1-氨基環(huán)丙烷-1-羧基脫氨酶，顯著增強(qiáng)辣椒和西紅柿對(duì)干旱的忍耐力[47];同樣，在淹水脅迫下，根際促生菌也能夠促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。土壤鹽分過(guò)高會(huì)產(chǎn)生滲透和干旱脅迫，因而很容易影響作物產(chǎn)量。在鹽分脅迫條件下，耐鹽細(xì)菌可以通過(guò)一系列措施改善宿主植物的生長(zhǎng)，Upadhyay等[48]對(duì)生長(zhǎng)在鹽漬化土壤上的小麥根際130株細(xì)菌研究后發(fā)現(xiàn)，其中24株能夠忍受較高濃度的NaCl(8%)，而且這些菌株均能夠產(chǎn)生吲哚乙酸(IAA);10株為溶磷菌;8株能夠產(chǎn)生鐵載體;6株能夠產(chǎn)生赤霉素;兩株含有固氮nifH基因。低溫也是經(jīng)常限制植物生長(zhǎng)的環(huán)境脅迫因子，低溫能夠影響根瘤的形成和固氮過(guò)程，然而高緯度地帶的豆科植物仍然能夠正常的結(jié)瘤和固氮。研究表明，促生菌BurkholderiaphytofirmansPsJN在低溫條件下能夠促進(jìn)葡萄根系的生長(zhǎng)和生理活性，在10℃條件下，熒光假單胞菌的耐寒突變體相比野生型具有更高的磷溶解能力[49]。土壤酸化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在的問(wèn)題，Raudales等[50]首次發(fā)現(xiàn)了熒光假單胞菌能夠顯著減少作物在低pH土壤中生長(zhǎng)引起的葉片病變，這表明熒光假單胞菌不僅能夠減少病蟲(chóng)害，而且能夠提高植物對(duì)非生物脅迫的抗逆性。

5 環(huán)境變化對(duì)植物-微生物關(guān)系的影響

5.1 全球氣候變化

全球氣候變化使得植物所處的生長(zhǎng)環(huán)境在不斷的變化，包括氣溫上升、CO2濃度增加、植物生長(zhǎng)帶改變等，其中大氣CO2濃度被認(rèn)為是影響植物根際微生物生態(tài)的關(guān)鍵因子。土壤碳的儲(chǔ)存量遠(yuǎn)大于植被系統(tǒng)，它是陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的有機(jī)碳庫(kù)?；钚酝寥揽紫堕gCO2濃度(大約為2000～3800 mg/kg)遠(yuǎn)高于大氣濃度，因此有人預(yù)測(cè)未來(lái)100年大氣CO2濃度升高對(duì)土壤微生物的直接影響可能較小，CO2濃度升高主要是通過(guò)調(diào)節(jié)植物光合作用來(lái)間接影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能，這其中就包括改變植物根際碳沉積模式、根際食物網(wǎng)組成和功能等[51]。相比C4植物，C3植物在這一過(guò)程中可能受到的影響更加顯著。Drigo等[33]研究表明，CO2濃度升高改變了C3植物地下部分碳的分配途徑，尤其是對(duì)叢枝菌根真菌的影響，進(jìn)而改變了與之相關(guān)聯(lián)的細(xì)菌多樣性及活性。根際中常見(jiàn)的定殖者伯克氏菌和假單胞菌受到CO2濃度影響較大，而芽孢桿菌不受影響且在非根際土壤中更加豐富，CO2濃度的升高也增加根際中的總糖濃度[52]。Nelson等[53]發(fā)現(xiàn),CO2濃度的升高改變了大豆根際古菌群落結(jié)構(gòu)，但是古菌基因數(shù)量沒(méi)有發(fā)生變化，而C4植物玉米的光合作用以及產(chǎn)量沒(méi)有受到CO2濃度升高的影響。嚴(yán)陳等[54]研究表明，氮肥施用量較高的情況下，大氣CO2濃度增加明顯提高水稻根際土壤中Ⅰ型甲烷氧化細(xì)菌的豐度。

5.2 農(nóng)田肥料長(zhǎng)期施用

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中植物與微生物的相互關(guān)系可能顯著不同于其他自然生態(tài)系統(tǒng)。在無(wú)人工干擾的自然生態(tài)系統(tǒng)中，微生物與宿主植物長(zhǎng)期的進(jìn)化發(fā)展，形成良好的互作關(guān)系，因此植物種類(lèi)是影響根際微生物區(qū)系的關(guān)鍵因子。然而在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，同一作物在不同的土壤類(lèi)型上種植以及不同的農(nóng)藝措施，使得土壤類(lèi)型以及不同種植方式是影響作物根際微生物的重要影響因素;而且農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)根際微生物多樣性一般低于無(wú)人為干擾的自然生態(tài)系統(tǒng)。集約農(nóng)業(yè)中化肥的大量施用不僅改變了土壤的物理、化學(xué)及生物學(xué)特性，也將改變植物-微生物的相互關(guān)系。例如，施用無(wú)機(jī)化肥能夠顯著抑制36%～46%的根際微生物呼吸作用，這可能與根際碳流的減少有關(guān)[55];同時(shí)無(wú)機(jī)化肥還可以直接影響根際微生物的生理功能。基于焦磷酸測(cè)序的研究表明，氮肥能夠增加硝化螺菌[56]和放線菌的數(shù)量，反而降低酸桿菌和疣微菌的數(shù)量[57]。通過(guò)對(duì)甜瓜根系內(nèi)生菌的研究發(fā)現(xiàn)，施用生物有機(jī)肥使根系內(nèi)生細(xì)菌數(shù)量增加2.42～3.27倍，枯草芽孢桿菌數(shù)量增加0.92～23.7倍，真菌數(shù)量減少了85.9%～95.6%，病原菌數(shù)量減少了85.0%～98.3%;并且生物有機(jī)肥能夠增加根系內(nèi)生拮抗細(xì)菌數(shù)量，上述結(jié)果表明施用生物有機(jī)肥能夠有效地防止甜瓜土傳病害[58]。我們的研究結(jié)果表明，施用有機(jī)肥顯著降低了以根際沉積為碳源的細(xì)菌多樣性，而化肥促進(jìn)部分纖維桿菌對(duì)植物源的利用;擬桿菌和綠彎菌數(shù)量在根際土壤中顯著增加，但這一根際效應(yīng)并不是植物碳沉積誘導(dǎo)的結(jié)果，說(shuō)明植物存在其他的調(diào)控機(jī)制誘導(dǎo)這些細(xì)菌在根際中定殖;長(zhǎng)期施用化肥，顯著改變了華北平原石灰性潮土的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，特別是有利于放線菌和硝化螺菌的生長(zhǎng);然而，我們發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥的施用能夠?qū)⑦@種已改變的細(xì)菌群落向其初始的狀態(tài)進(jìn)行恢復(fù)。利用宏基因組技術(shù)，F(xiàn)ierer等[59]發(fā)現(xiàn)隨氮肥施用量增加，土壤中DNA/RNA復(fù)制、電子傳遞、蛋白質(zhì)代謝等功能基因數(shù)量顯著增加，認(rèn)為氮肥能夠直接或間接影響土壤優(yōu)勢(shì)微生物的生存策略，更加有利于富營(yíng)養(yǎng)微生物群落(copiotrophic microbial community)的生長(zhǎng)。

6 根際微生物研究展望

根際是土壤-植物系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的門(mén)戶(hù)，根際沉積物則是植物與周?chē)h(huán)境進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)、能量交換、信號(hào)傳遞的重要媒介，這一特殊生態(tài)位中植物-土壤-微生物三者之間的相互關(guān)系已經(jīng)成為了農(nóng)業(yè)研究的重要領(lǐng)域。隨著分子生物學(xué)和組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)在根系分泌物組成、根際養(yǎng)分活化、根際微生物群落結(jié)構(gòu)、根際有益微生物及其促生作用、根際病原菌及其防治等方面開(kāi)展了大量研究。無(wú)論是在研究方法上，還是在過(guò)程機(jī)理、影響因素和環(huán)境效應(yīng)都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。然而隨著認(rèn)識(shí)的不斷深入，各種影響根際生物學(xué)發(fā)展的因素和技術(shù)瓶頸逐步顯現(xiàn)，未來(lái)的研究還需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行突破:

1)目前，對(duì)植物根際碳沉積數(shù)量和組成的研究主要采用水培和沙培方式，所得到的結(jié)果與大田土壤實(shí)際狀況有較大差異，原位收集方法和檢測(cè)技術(shù)的改進(jìn)將極大地促進(jìn)植物根際碳沉積的定量研究，有利于揭示土壤肥力演變、全球氣候變化等環(huán)境條件改變下植物地下碳的分配規(guī)律。

2)在根際界面上，植物、土壤和微生物是一個(gè)連續(xù)的整體，三者之間具有很強(qiáng)的依賴(lài)性，所涉及的生物化學(xué)過(guò)程也非常復(fù)雜;然而，已有的大部分研究只針對(duì)單一對(duì)象進(jìn)行分析，所得到的結(jié)論不能反映該對(duì)象在整個(gè)根際過(guò)程中的作用和地位。目前穩(wěn)定同位素探針技術(shù)與分子生態(tài)學(xué)技術(shù)的結(jié)合，為我們?cè)谎芯恐参?土壤-微生物關(guān)系提供了新的思路，該方法不僅可以準(zhǔn)確的展示植物光合碳的去向，而且能夠綜合地揭示根際沉積物和土壤微生物的相互關(guān)系及其生態(tài)功能。

3)隨著第二代測(cè)序成本的不斷降低，以及宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組和宏蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展，基于免培養(yǎng)的現(xiàn)代分子生態(tài)學(xué)技術(shù)正迅速地推動(dòng)著環(huán)境微生物學(xué)的發(fā)展;如何運(yùn)用這些新技術(shù)對(duì)根際微生物的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行挖掘，以及生物信息學(xué)分析在根際微生物研究中的應(yīng)用將是未來(lái)研究的重要領(lǐng)域。

4)植物通過(guò)調(diào)節(jié)根際沉積物來(lái)改變根際微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能，這是自然選擇的結(jié)果;在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，環(huán)境因子促使植物與土壤微生物形成特定的關(guān)系，使雙方各自獲得有利于自身發(fā)展的功能。隨著全球氣候變化和土壤肥力改變，例如全球變暖、CO2濃度升高和長(zhǎng)期施用化肥，未來(lái)的研究重點(diǎn)將是環(huán)境選擇壓力下，根際微生物的響應(yīng)機(jī)制以及植物誘導(dǎo)根際促生菌的作用機(jī)理，在這一調(diào)節(jié)過(guò)程中植物根際沉積物可能發(fā)揮著不可或缺的作用。

[1] Hartmann A, Rothballer M, Schmid M. Lorenz Hiltner, a pioneer in rhizosphere microbial ecology and soil bacteriology research[J]. Plant and Soil, 2008, 312: 7-14.

[2] Mendes R, Garbeva P, Raaijmakers J M. The rhizosphere microb- iome: significance of plant beneficial, plant pathogenic, and human pathogenic microorganisms[J]. FEMS Microbiology Review, 2013, 37: 634-663.

[3] Mendes R, Kruijt M, de Bruijn Ietal. Deciphering the rhizosph- ere microbiome for disease-suppressive bacteria[J]. Science, 2011, 332: 1097-1100.

[4] Uroz S, Buée M, Murat Cetal. Pyrosequencing reveals a contra- sted bacterial diversity between oak rhizosphere and surrounding soil[J]. Environmental Microbiology Reports, 2010, 2: 281-288.

[5] Weinert N, Piceno Y, Ding G Cetal. PhyloChip hybridization u- ncovered an enormous bacterial diversity in the rhizosphere of different potato cultivars: many common and few cultivar-dependent taxa[J]. FEMS Microbiology Ecology, 2011, 75: 497-506.

[6] Pires A C, Cleary D F, Almeida Aetal. Denaturing gradient gel electrophoresis and barcoded pyrosequencing reveal unprecedented archaeal diversity in mangrove sediment and rhizosphere samples[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2012, 78: 5520-5528.

[7] Bulgarelli D, Rott M, Schlaeppi Ketal. Revealing structure and assembly cues for Arabidopsis root-inhabiting bacterial microbiota[J]. Nature, 2012, 488: 91-95.

[8] 韓亞飛, 伊文慧, 王文波,等. 基于高通量測(cè)序技術(shù)的連作楊樹(shù)人工林土壤細(xì)菌多樣性研究[J]. 山東大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版), 2014, 49(5): 1-6. Hang Y F, Yi W H, Wang W Betal. Soil bacteria diversity in continuous cropping poplar plantation by high throughput sequencing[J]. Journal of Shangdong University(Natural Science), 2014, 49(5): 1-6.

[9] Uroz S, Oger P, Morin E, Frey-Klett P. Distinct ectomycorrhizos- pheres share similar bacterial communities as revealed by pyrosequencing-based analysis of 16S rRNA genes[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2012, 78: 3020-3024.

[10] Handelsman J, Rondon M R, Brady S Fetal. Molecular biolog- ical access to the chemistry of unknown soil microbes: a new frontier for natural products[J]. Chemistry & Biology, 1998, 5: R245-R249.

[11] Gans J, Wolinsky M, Dunbar J. Computational improvements reveal great bacterial diversity and high metal toxicity in soil[J]. Science, 2005, 309: 1387-1390.

[12] Roesch L F, Fulthorpe R R, Riva Aetal. Pyrosequencing enumerates and contrasts soil microbial diversity[J]. The ISME Journal, 2007, 1: 283-290.

[13] Lee M H, Hong K S, Malhotra Setal. A new esterase EstD2 isolated from plant rhizosphere soil metagenome[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2010, 88: 1125-1134.

[14] Turner T R, Ramakrishnan K, Walshaw Jetal. Comparative metatranscriptomics reveals kingdom level changes in the rhizosphere microbiome of plants[J]. The ISME Journal, 2013, 7: 2248-2258.

[15] Kuzyakov Y, Domanski G. Carbon input by plants into the soil. Review[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2000, 163: 421-431.

[16] Jones D, Nguyen C, Finlay R. Carbon flow in the rhizosphere: carbon trading at the soil-root interface[J]. Palnt and Soil, 2009, 321: 5-33.

[17] Dennis P G, Miller A J, Hirsch P R. Are root exudates more important than other sources of rhizodeposits in structuring rhizosphere bacterial communities?[J]. FEMS Microbiology Ecology, 2010, 72: 313-327.

[18] Wójcik-Wojtkowiak D, Politycka B, Schneider M, Perkowski J. Phenolic substances as allelopathic agents arising during the degradation of rye(Secale cereale)tissues[J]. Palnt and Soil, 1990, 124: 143-147.

[19] Oldroyd G E, Downie J A. Coordinating nodule morphogenesis with rhizobial infection in legumes[J]. Annual Review of Plant Biology, 2008, 59: 519-546.

[20] 徐國(guó)偉, 李帥, 趙永芳, 等. 秸稈還田與施氮對(duì)水稻根系分泌物及氮素利用的影響研究[J]. 草業(yè)學(xué)報(bào), 2014, 23(2): 140-146. Xu G W, Li S, Zhao Y Fetal. Effects of straw returning and nitrogen fertilizer application on root secretion and nitrogen utilization of rice[J]. Acta Prataculture Sinica, 2014, 23(2): 140-146.

[21] Iijima M, Griffiths B, Bengough A. Sloughing of cap cells and carbon exudation from maize seedling roots in compacted sand[J]. New Phytologist, 2000, 145: 477-482.

[22] Foster R. The ultrastructure of the rhizoplane and rhizosphere[J]. Annual Review of Phytopathology, 1986, 24: 211-234.

[23] Lundberg D S, Lebeis S L, Paredes S Hetal. Defining the core Arabidopsis thaliana root microbiome[J]. Nature, 2012, 488: 86-90.

[24] Peiffer J A, Spor A, Koren Oetal. Diversity and heritability of the maize rhizosphere microbiome under field conditions[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 2013, 110: 6548-6553.

[25] 陳林, 張佳寶. 玉米品種對(duì)根際微生物特性的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2014, 30(15): 62-67. Chen L, Zhang J B. Impact of maize genotype on the characteristic of rhizospheric microbes[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2014, 30(15): 62-67.

[26] Bulgarelli D, Schlaeppi K, Spaepen Setal. Structure and funct- ions of the bacterial microbiota of plants[J]. Annual Review of Plant Biology, 2013, 64: 807-838.

[27] Normander B, Prosser J I. Bacterial origin and community comp- osition in the barley phytosphere as a function of habitat and presowing conditions[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2000, 66: 4372-4377.

[28] Johnston-Monje D, Raizada M N. Conservation and diversity of seed associated endophytes in Zea across boundaries of evolution, ethnography and ecology[J]. PLoS ONE, 2011, 6: e20396.

[29] 安婷婷, 汪景寬, 李雙異, 等. 用13C脈沖標(biāo)記方法研究施肥與地膜覆蓋對(duì)玉米光合碳分配的影響[J]. 土壤學(xué)報(bào), 2013, 50(5): 948-955. An T T, Wang J K, Li S Yetal. Effect of fertilization and plastic film mulching on distribution of photosynthetically fixed carbon in maize: Explored with13C pulse labeling technique[J]. Acta Pedologica Sinica, 2013, 50(5): 948-955.

[30] Lu Y, Conrad R. In situ stable isotope probing of methanogenic archaea in the rice rhizosphere[J]. Science, 2005, 309: 1088-1090.

[31] Haichar F Z, Marol C, Berge Oetal. Plant host habitat and root exudates shape soil bacterial community structure[J]. The ISME Journal, 2008, 2: 1221-1230.

[32] Leake J, Johnson D, Donnelly Detal. Networks of power and influence: the role of mycorrhizal mycelium in controlling plant communities and agroecosystem functioning[J]. Canadian Journal of Botany, 2004, 82: 1016-1045.

[33] Drigo B, Pijl A S, Duyts Hetal. Shifting carbon flow from roots into associated microbial communities in response to elevated atmospheric CO2[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 2010, 107: 10938-10942.

[34] Johnson D, Leake J, Ostle Netal. In situ13CO2pulse-labelling of upland grassland demonstrates a rapid pathway of carbon flux from arbuscular mycorrhizal mycelia to the soil[J]. New Phytologist, 2002, 153: 327-334.

[35] 孫建光, 胡海燕, 劉君, 等. 農(nóng)田環(huán)境中固氮菌的促生潛能與分布特點(diǎn)[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué), 2012, 45(8): 1532-1544. Sun J G, Hu H Y, Liu Jetal. Growth promotion potential and distribution features of nitrogen-fixing bacteria in field environments[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2012, 45(8): 1532-1544.

[36] 秦子?jì)? 朱敏, 郭濤. 干旱脅迫下叢枝菌根真菌對(duì)玉米生理生化特性的影響[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2013, 19(2): 510-516. Qin Z X, Zhu M, Guo T. Influence of mycorrhizal inoculation on physiological and biochemical characteristics of maize(Zeamays)under water stress[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2013, 19(2): 510-516.

[37] Guimar?es A A, Jaramillo P M D, Nóbrega R S Aetal. Genetic and symbiotic diversity of nitrogen-fixing bacteria isolated from agricultural soils in the Western Amazon by using cowpea as the trap plant[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2012, 78: 6726-6733.

[38] Geurts R, Lillo A, Bisseling T. Exploiting an ancient signalling machinery to enjoy a nitrogen fixing symbiosis[J]. Current Opinion in Plant Biology, 2012, 15: 438-443.

[39] Shirley M, Avoscan L, Bernaud Eetal. Comparison of iron acquisition from Fe-pyoverdine by strategy I and strategy II plants[J]. Botany, 2011, 89: 731-735.

[40] Yehuda Z, Shenker M, Hadar Y, Chen Y. Remedy of chlorosis induced by iron deficiency in plants with the fungal siderophore rhizoferrin[J]. Journal of Plant Nutrition, 2000, 23: 1991-2006.

[41] Zhang H, Sun Y, Xie Xetal. A soil bacterium regulates plant acquisition of iron via deficiency-inducible mechanisms[J]. The Plant Journal, 2009, 58: 568-577.

[42] Druzhinina I S, Seidl-Seiboth V, Herrera-Estrella Aetal. Trich- oderma: the genomics of opportunistic success[J]. Nature Reviews Microbiology, 2011, 9: 749-759.

[43] Zamioudis C, Pieterse C M. Modulation of host immunity by be- neficial microbes[J]. Molecular Plant-microbe Interactions, 2012, 25: 139-150.

[44] Niu D D, Liu H X, Jiang C Hetal. The plant growth-promoting rhizobacterium Bacillus cereus AR156 induces systemic resistance in Arabidopsis thaliana by simultaneously activating salicylate-and jasmonate/ethylene-dependent signaling pathways[J]. Molecular Plant-microbe Interactions, 2011, 24: 533-542.

[45] 吳秉奇, 梁永江, 丁延芹, 等. 兩株煙草根際拮抗菌的生防和促生效果研究[J]. 中國(guó)煙草科學(xué), 2013, 2(34): 66-71. Wu B Q, Liang Y J, Ding Y Qetal. Study on disease-preventing and growth-promoting effects of two antifungal bacteria from tobacco rhizosphere[J]. Chinese Tobacco Science, 2013, 2(34): 66-71.

[46] Weston D J, Pelletier D A, Morrell-Falvey J Letal. Pseudomo- nas fluorescens induces strain-dependent and strain-independent host plant responses in defense networks, primary metabolism, photosynthesis, and fitness[J]. Molecular Plant-microbe Interactions, 2012, 25: 765-778.

[47] Mayak S, Tirosh T, Glick B R. Plant growth-promoting bacteria that confer resistance to water stress in tomatoes and peppers[J]. Plant Science, 2004, 166: 525-530.

[48] Upadhyay S K, Singh D P, Saikia R. Genetic diversity of plant growth promoting rhizobacteria isolated from rhizospheric soil of wheat under saline condition[J]. Current Microbiology, 2009, 59: 489-496.

[49] Katiyar V, Goel R. Solubilization of inorganic phosphate and plant growth promotion by cold tolerant mutants ofPseudomonasfluorescens[J]. Microbiological Research, 2003, 158: 163-168.

[50] Raudales R E, Stone E, McSpadden Gardener B B. Seed treatm- ent with 2, 4-diacetylphloroglucinol-producing pseudomonads improves crop health in low-pH soils by altering patterns of nutrient uptake[J]. Phytopathology, 2009, 99: 506-511.

[51] Drigo B, Kowalchuk G A, van Veen J A. Climate change goes underground: effects of elevated atmospheric CO2on microbial community structure and activities in the rhizosphere[J]. Biology and Fertility of Soils, 2008, 44: 667-679.

[52] Drigo B, Van Veen J A, Kowalchuk G A. Specific rhizosphere bacterial and fungal groups respond differently to elevated atmospheric CO2[J]. The ISME Journal, 2009, 3: 1204-1217.

[53] Nelson D M, Cann I K, Mackie R I. Response of archaeal communities in the rhizosphere of maize and soybean to elevated atmospheric CO2concentrations[J]. PLoS ONE, 2010, 5: e15897.

[54] 嚴(yán)陳, 許靜, 鐘文輝, 等. 大氣CO2濃度升高對(duì)稻田根際土壤甲烷氧化細(xì)菌豐度的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(6): 1881-1888. Yan C, Xu J, Zhong W Hetal. Effect of elevated CO2on methanotrophs in the rhizosphere of rice plant[J]. Acta Ecologica Sinica, 2013, 33(6): 1881-1888.

[55] Phillips R, Fahey T. Fertilization effects on fineroot biomass, rhizosphere microbes and respiratory fluxes in hardwood forest soils[J]. New Phytologist, 2007, 176: 655-664.

[56] Ai C, Liang G, Sun Jetal. Different roles of rhizosp- here effect and long-term fertilization in the activity and community structure of ammonia oxidizers in a calcareous fluvo-aquic soil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 57: 30-42.

[57] Ramirez K S, Craine J M, Fierer N. Consistent effects of nitrog- en amendments on soil microbial communities and processes across biomes[J]. Global Change Biology, 2012, 18: 1918-1927.

[58] 高雪蓮. 不同生物有機(jī)肥對(duì)甜瓜土傳枯萎病防控效果及對(duì)根際土壤微生物區(qū)系的影響[D]. 南京: 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2012. Gao X L. Effect of different bio-organic fertilizers on control of soil-borne fusarium wilt and microbial community in the rhizosphere soil of muskmelon[D]. Nanjing: Ms thesis of Nanjing Agricultural University, 2012.

[59] Fierer N, Lauber C L, Ramirez K Setal. Comparative metage- nomic, phylogenetic and physiological analyses of soil microbial communities across nitrogen gradients[J]. The ISME Journal, 2012, 6: 1007-1017.

Advances in the study of the relationship between plant rhizodeposition and soil microorganism

AI Chao, SUN Jing-wen, WANG Xiu-bin, LIANG Guo-qing, HE Ping, ZHOU Wei*

(KeyLaboratoryofPlantNutritionandFertilizerMinistryofAgriculture,InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China)

【Objectives】The active rhizosphere microbiome, also referred as the second genome of plant, is crucial for plant growth and development. The structure and function of microbial community in the rhizosphere are affected by plant-derived carbon through rhizodeposition, which is considered as the main modality of material flow, energy flow and information flow in plant rhizosphere system, and play a role of interconnects in the air-plant-soil system. Hence, understanding the function of rhizodeposition is of theoretically meaning to study to plant stress tolerance improvement, crop yield increase and nutrient cycling regulation in the rhizosphere soil. 【Main advances】 In this paper, the latest results and trends of the rhizosphere microbiome research were reviewed, especially focused on 1)rhizosphere microbial diversity and omics research, 2)components and generation mechanism of rhizodeposition, 3)formation mechanism of microbial community structure in the rhizosphere, 4)the ecological functions of rhizosphere microbiome in enhancing nutrient uptake and plant stress tolerance, and 5)the influences of climate change and long-term fertilization on plant-microbe interaction. On this basis, the future research and development direction were discussed: 1)Improvement and development of thein-situcollection method and measurement technique of plant rhizodeposits. 2)The combination of the stable isotope probing(SIP)and molecular ecology techniques to plant, soil and microorganism could be used to analyze the functions and roles of rhizosphere microbiome. 3)The applications of new technologies(e.g. next-generation sequencing technologies, ‘omics’ technologies and bioinformatics tools)might revolutionize the development of rhizosphere microbiome research. 4)With the changes in global climate and soil fertility, such as global warming, elevated atmospheric CO2concentration and long-term inorganic fertilization, environmental factors will play a more important role on the regulation mechanism of root-derived carbon in the plant-soil-microorganism system, and the inductive effect of plant under such specific environment on plant growth promoting rhizobacteria(PGPR). These knowledge will provide a view on how to establish a sustainable soil-crop system with high productivity and high efficiency through coordinating the interaction between crop and rhizosphere microbiome.

rhizodeposition; rhizosphere microbiome; carbon distribution; metagenomics; plant-microbe interaction

2014-06-16 接受日期: 2014-08-10 網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2015-06-01

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31372136);農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專(zhuān)項(xiàng)(201003016);現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專(zhuān)項(xiàng)資金(CARS-01-31);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2013CB127405)資助。

艾超(1985—)，男，湖南岳陽(yáng)人，博士研究生，主要從事農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)與微生物生態(tài)研究。E-mail: adeel@live.cn *通信作者 E-mail: wzhou@caas.ac.cn

Q948.12+2.3

A

1008-505X(2015)05-1343-09