韋中,楊天杰,任鵬,胡潔,李梅,徐陽春,沈其榮

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/作物免疫學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省固體有機(jī)廢棄物資源化研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國家有機(jī)類肥料工程技術(shù)研究中心/江蘇省有機(jī)固體廢棄物協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京210095)

由土壤病原菌引起的土傳病害是當(dāng)前農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的限制因子。土壤病原菌在表達(dá)致病因子、侵染作物根系表皮組織之前,需經(jīng)歷從土體向根際遷移、在根際定殖和增殖以及在根表形成生物膜等重要的根際入侵過程。病原菌這一入侵過程并非暢通無阻,而是受到根際生態(tài)系統(tǒng)中物理、化學(xué)和生物因子的多重防御。最近有學(xué)者將根際生態(tài)系統(tǒng)抵御土壤病原菌入侵的現(xiàn)象和能力定義為根際免疫,并指出根際免疫形成的核心是形成一個(gè)具有特定結(jié)構(gòu)和互作關(guān)系的根際菌群[1]。由于根際菌群構(gòu)成及其互作關(guān)系的復(fù)雜性,大部分微生物難以分離培養(yǎng),并且難以在根際原位進(jìn)行驗(yàn)證性研究,目前還難以清楚解析根際菌群影響根際免疫的機(jī)制。解析免疫型根際菌群中的核心功能微生物組(與特定宿主植物或根際其他微生物關(guān)聯(lián)較為緊密的微生物)、根際菌群互作、菌群-植物互作與根際免疫的關(guān)系是實(shí)現(xiàn)根際菌群精準(zhǔn)調(diào)控,提升根際免疫能力和保障作物健康的前提。

合成菌群(synthetic microbial community)是基于生態(tài)學(xué)和合成生物學(xué)基本理論,人為地將2個(gè)或多個(gè)已知分類地位、功能特性等明確的不同微生物,在特定條件下以確定的比例進(jìn)行混合,進(jìn)而獲得效率高、功能強(qiáng)、可控性好、易保存且便于應(yīng)用的有機(jī)群體[2]。合成菌群的構(gòu)成可以是從自然環(huán)境中分離得到的野生型菌株,也可以是通過基因改造得到的微生物,在明確菌群成員互作、菌群與寄主和環(huán)境互作以及菌群功能等方面有巨大的優(yōu)勢(shì),已經(jīng)在醫(yī)學(xué)[3]、農(nóng)業(yè)[4-5]、工業(yè)[6]和環(huán)境生態(tài)[7]等領(lǐng)域中廣泛研究和應(yīng)用。本文闡述合成菌群在根際免疫研究中的重要性,從解析免疫型根際核心微生物組、根際菌群成員互作、根際菌群-植物互作方面總結(jié)合成菌群在根際免疫研究中的重要進(jìn)展,從群落多樣性、互作關(guān)系和穩(wěn)定性角度闡述提升根際免疫的合成菌群的構(gòu)建原則,總結(jié)合成菌群在根際免疫研究中亟待強(qiáng)化的方向,以便更好地服務(wù)于根際健康提升和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

1 合成菌群在根際免疫研究中的重要性

自Hiltner提出“根際”這個(gè)概念以來,科研工作者就開始探究根際微生物與作物健康的關(guān)系[8],闡述根際微生物對(duì)抵御土壤病原菌入侵和維持作物健康的重要性和其中的作用機(jī)制,提出一系列基于根際微生物防控土傳病害的策略并開發(fā)了產(chǎn)品[4-5,9-11]?？偟膩碚f,根際微生物與土傳病害防控的研究經(jīng)歷了 3個(gè)階段。由于研究條件和認(rèn)知的局限,第1階段主要聚焦在功能菌的篩選、作用機(jī)制和應(yīng)用效果探究,并開發(fā)了相應(yīng)的生物制劑[12-13]。由于植物根際存在大量且復(fù)雜的微生物群落,單一種類的功能菌無法有效在根際定殖和生長(zhǎng),限制其生防功能的發(fā)揮,因此田間生防效果常常不穩(wěn)定。為了更加深入地研究根際微生物群落特征,人們開始把研究對(duì)象擴(kuò)大到整個(gè)根際菌群,闡述其與抑病功能的關(guān)系,即第2個(gè)階段的研究重點(diǎn)。這一階段的研究方法從DGGE和FPLA等逐步發(fā)展到第2代測(cè)序技術(shù),人們才真正打開了根際微生物組的“黑匣子”,根際微生物組與作物健康之間的研究也逐漸發(fā)展[14-16]。盡管大量研究發(fā)現(xiàn),根際菌群與作物健康密切相關(guān),但根際微生物群落構(gòu)成及其互作關(guān)系復(fù)雜,根際菌群影響植物健康機(jī)制的相關(guān)科學(xué)問題仍不清楚。例如,共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)等方法預(yù)測(cè)的根際抑病核心微生物是否發(fā)揮著關(guān)鍵作用?根際菌群成員間的互作關(guān)系如何決定群落抵御病原菌入侵的能力?根際菌群如何與植物互作,進(jìn)而影響植物免疫和健康?這些問題仍缺乏直接的證據(jù)。研究者逐漸意識(shí)到簡(jiǎn)化根際菌群,建立可控的變量是探明根際菌群與作物健康關(guān)系的關(guān)鍵[5]。因此,逐漸發(fā)展出以生態(tài)學(xué)理論為指導(dǎo)的第3個(gè)階段的研究,即結(jié)合宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組和宏培養(yǎng)組學(xué)以及大數(shù)據(jù)分析、數(shù)學(xué)模型構(gòu)建和微流控等技術(shù),經(jīng)分析預(yù)測(cè)、篩選鑒定等流程獲得可培養(yǎng)功能微生物,然后構(gòu)建合成菌群,相對(duì)精準(zhǔn)控制群落多樣性、群落構(gòu)成、互作關(guān)系、群落成員特性等群落特征參數(shù),進(jìn)而探究微生物群落特征與作物健康的關(guān)系。值得注意的是,盡管合成菌群無法做到完全重現(xiàn)根際菌群構(gòu)成,但可以更清晰闡明根際菌群影響作物健康的機(jī)制,科學(xué)指導(dǎo)根際菌群調(diào)控,進(jìn)而控制土傳病害的發(fā)生,實(shí)現(xiàn)促進(jìn)作物健康的目標(biāo)。

2 合成菌群在根際免疫研究中的應(yīng)用進(jìn)展

根際核心微生物組、根際菌群內(nèi)部互作和根際菌群與植物互作是根際免疫研究的3個(gè)核心科學(xué)問題。目前,國內(nèi)外學(xué)者在利用合成菌群挖掘根際抑病相關(guān)核心功能微生物[17]、揭示根際菌群互作與抵御病原菌入侵關(guān)系[18-21]和探明根際核心菌群與植物免疫關(guān)系[22]等方面中已經(jīng)取得重要的進(jìn)展。

2.1 利用合成菌群解析根際免疫的核心微生物組

大量研究表明根際核心微生物在抵御土傳病原菌入侵和維持植物健康中發(fā)揮關(guān)鍵作用[23-24],并且在土傳病害防控實(shí)踐中,也常將抑病土部分轉(zhuǎn)移到感病土中,使后者獲得抗病能力,其本質(zhì)就是核心微生物發(fā)揮了作用[25]。因此,識(shí)別、探究和應(yīng)用管理核心微生物可能為提高植物健康提供了新的途徑[26]。近年來,甜菜立枯病[25]、番茄青枯病[15]、香蕉枯萎病[27]、香草蘭枯萎病[28]等抑病土壤中的核心微生物組被解析出來。但是,由高通量測(cè)序技術(shù)分析的結(jié)果僅具有相關(guān)性,這些核心微生物是否發(fā)揮核心作用仍缺少直接因果關(guān)系驗(yàn)證。基于明確分類地位和功能特性的微生物構(gòu)建合成菌群,可檢驗(yàn)核心微生物對(duì)促進(jìn)植物健康的重要作用。Niu等[17]構(gòu)建了由7種生防細(xì)菌組成的合成菌群,發(fā)現(xiàn)該合成菌群可明顯抑制輪狀鐮刀霉菌(Fusariumverticillioides)定殖,有效控制玉米苗枯病的發(fā)生,并且發(fā)現(xiàn)在合成菌群中沒有Enterobactercloacae的情況下,Curtobacteriumpusillum豐度增加,而其他物種則在群落中消失,這表明E.cloacae是這7個(gè)物種構(gòu)成的簡(jiǎn)化微生物組中的核心微生物。因此,代表根際微生物組的合成菌群可以為研究核心微生物對(duì)其他微生物之間的相互作用、群落組成的動(dòng)態(tài)變化以及對(duì)宿主健康的有益功能等提供有力的理論支撐。

2.2 利用合成菌群探究菌群互作與根際免疫關(guān)系

作物健康不僅受根際微生物群落構(gòu)成的影響,也由群落與病原菌以及群落內(nèi)部的物種互作關(guān)系決定。大量研究利用多種互作網(wǎng)絡(luò)分析方法解析微生物群落網(wǎng)絡(luò)特征(如節(jié)點(diǎn)數(shù)、連接度、模塊性、網(wǎng)絡(luò)直徑等)與植物抵御病原菌入侵能力的關(guān)系[15,27]。以土傳青枯病為例,Wei等[15]利用宏基因組分析發(fā)現(xiàn)作物初始根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和互作網(wǎng)絡(luò)決定后期作物的健康狀況,但網(wǎng)絡(luò)分析不能直接證明互作關(guān)系影響土傳青枯菌入侵根際的機(jī)制。為闡明其機(jī)制,Li等[18]基于6株不同屬的細(xì)菌構(gòu)建合成菌群,在明確合成菌群成員間互作關(guān)系對(duì)病原菌入侵的影響后,發(fā)現(xiàn)便利型的根際細(xì)菌群落利于土傳青枯菌的入侵,而競(jìng)爭(zhēng)型的群落則抑制病原青枯菌的入侵。此外,Wei等[19]和Hu等[20]以5株勞爾氏屬細(xì)菌和8株假單胞菌為材料構(gòu)建合成菌群,分別從營養(yǎng)競(jìng)爭(zhēng)和拮抗競(jìng)爭(zhēng)的角度進(jìn)一步闡述根際菌群的競(jìng)爭(zhēng)互作與抵御青枯菌入侵能力間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)合成菌群在資源利用上的互補(bǔ)效應(yīng)和在拮抗物質(zhì)抑菌中的協(xié)同效應(yīng),在合成菌群抑制土傳青枯病發(fā)生中起關(guān)鍵作用。Durn等[21]結(jié)合宏基因組和宏培養(yǎng)組學(xué),在分離篩選大量細(xì)菌和真菌之后,通過合成菌群闡明擬南芥根部細(xì)菌和絲狀真菌之間的跨界競(jìng)爭(zhēng)互作對(duì)作物抵御病原真菌和卵菌有重要影響?？傊?結(jié)合網(wǎng)絡(luò)互作預(yù)測(cè)和合成菌群互作分析方法能較好闡明根際菌群互作與根際免疫的關(guān)系。

2.3 利用合成菌群揭示根際菌群-植物互作對(duì)植物健康的影響

根際微生物與植物免疫有密切的相互作用關(guān)系[29]。植物免疫系統(tǒng)不僅能直接參與對(duì)根際病原菌的防御[30],也能通過模式識(shí)別受體(pattern recognition receptors)識(shí)別微生物相關(guān)分子模式(microbe-associated molecular patterns),進(jìn)而影響根際有益微生物的定殖[31]。根際有益微生物除了直接抑制土壤有害微生物外,還可以調(diào)節(jié)植物免疫系統(tǒng),提高植物地上部分的防御能力[32]。由有益微生物引起的誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性能激發(fā)植物免疫系統(tǒng)加速進(jìn)入防御狀態(tài)[33]。傳統(tǒng)的植物-根際有益微生物互作研究主要集中在一些模式有益微生物(如熒光假單胞菌和芽胞桿菌),對(duì)單個(gè)根際有益微生物誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性已經(jīng)開展了較為全面的研究[34-36]。近些年,學(xué)者們開始呼吁關(guān)注根際菌群與植物免疫關(guān)系的研究[37-38]。Kwak等[14]發(fā)現(xiàn)番茄青枯病抗病和易感品種的根際菌群差異顯著,并且黃桿菌屬可能在抗青枯病中發(fā)揮關(guān)鍵作用。盡管他們篩選到1株黃桿菌并證明其具有防御番茄青枯病的能力,但依然沒有回答根際菌群是如何影響植物免疫的。值得指出的是,Lebeis等[39]首次通過構(gòu)建由38個(gè)不同細(xì)菌構(gòu)成的合成菌群來探究植物免疫對(duì)根際菌群裝配的影響,并發(fā)現(xiàn)擬南芥水楊酸信號(hào)的傳導(dǎo)能顯著影響擬南芥根際菌群的裝配。Castrillo等[22]研究發(fā)現(xiàn),在磷饑餓條件下,一個(gè)由35種細(xì)菌構(gòu)成的人工菌群增強(qiáng)了磷酸鹽脅迫響應(yīng)基因PSR、PHR1和PSR轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子的活性,并且PHR1不僅激活了這些條件下磷酸鹽脅迫反應(yīng)的基因,而且直接抑制植物免疫基因的表達(dá),從而明確根際微生物介導(dǎo)的植物調(diào)控營養(yǎng)利用和病害防御平衡的分子機(jī)制[22]。這些研究表明根際菌群和植物免疫系統(tǒng)之間的相互作用可能在形成有益的植物-微生物群落共同體(holobiont)和維持植物健康以及微生物群落穩(wěn)定方面起著關(guān)鍵作用。

3 根際免疫合成菌群的設(shè)計(jì)原則

在探究微生物群落功能和互作特征的理論時(shí),可以采用隨機(jī)組合菌株的方式來構(gòu)建合成菌群以開展研究。為了實(shí)現(xiàn)菌群特定的生態(tài)功能,則需要遵循一定的生態(tài)學(xué)原理來設(shè)計(jì)合成菌群,比如依據(jù)生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能模型[40],借鑒自然群落中共生體之間的分工合作[41],考慮微生物間的相互作用、時(shí)空協(xié)調(diào)和穩(wěn)定性等[42],掌握合成菌群的酶功能、細(xì)胞能量需求、與代謝產(chǎn)物交換相關(guān)的代謝參數(shù)以及與突變、選擇、基因漂移相關(guān)的遺傳進(jìn)化參數(shù)[43]。筆者主要從群落構(gòu)成、群落互作關(guān)系和群落穩(wěn)定性3個(gè)方面探討高效抑病的合成菌群設(shè)計(jì)原則。

3.1 恰當(dāng)?shù)暮铣删航Y(jié)構(gòu)

菌群結(jié)構(gòu)特征如物種多樣性[44]、關(guān)鍵物種(keystone species)[45]和群落成員初始比例[46]影響微生物群落功能。因此,構(gòu)建能夠提升根際免疫的合成菌群時(shí)也需要關(guān)注這3個(gè)關(guān)鍵特征。一般認(rèn)為,多樣性高的合成菌群對(duì)土傳病原菌的抵抗能力較高。首先,不同物種的生態(tài)位或?qū)Νh(huán)境壓力的敏感性不同[47],多樣性高的合成菌群能夠在復(fù)雜多變的環(huán)境中(如土壤或根際)更好地存活和定殖;其次,多樣性高的群落具有較高的資源利用互補(bǔ)性,可充分利用環(huán)境中的資源,僅留給病原菌極少未被完全利用的資源,降低病原菌的生長(zhǎng)繁殖能力,最終降低入侵宿主的可能性[48];最后,多樣性高的合成菌群還會(huì)通過協(xié)同作用產(chǎn)生更多的抑菌物質(zhì),更好地抑制土傳病原菌的生長(zhǎng)[20,49]。需要注意的是,合成菌群的多樣性并非越多越好,在有限的資源環(huán)境條件下,多樣性的增加也會(huì)加劇群落內(nèi)部各個(gè)物種之間競(jìng)爭(zhēng)的風(fēng)險(xiǎn),導(dǎo)致群落整體生物量下降以及降低抵抗土傳病原菌的能力[50]。在構(gòu)建合成菌群的過程中不僅要考慮群落的多樣性,還需考慮構(gòu)成合成群落中的關(guān)鍵功能物種。合成復(fù)雜性較低的菌群往往有利于研究群落成員的作用,但是隨意剔除合成群落的成員可能會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵物種缺失,進(jìn)而影響群落互作關(guān)系以及整體的抑病功能[17]。當(dāng)菌群成員明確后,設(shè)計(jì)合成菌群還需要考慮成員間初始的復(fù)配比例。大量研究表明初始接種比例對(duì)群落互作和功能產(chǎn)生重要影響[46]。由于試驗(yàn)操作的復(fù)雜性,明確初始接種比例對(duì)群落互作和功能的影響,需要將合成菌群多樣性控制在較低的水平或者采用計(jì)算機(jī)模擬。

3.2 明確的菌群互作關(guān)系

合成菌群成員間的互作關(guān)系對(duì)合成菌群的功能發(fā)揮具有重要作用。同一營養(yǎng)級(jí)微生物之間積極的相互作用可能來自分泌的公共物質(zhì)[51]或代謝交叉喂養(yǎng)[52],這種互作關(guān)系中微生物受益于彼此的存在;而資源競(jìng)爭(zhēng)[19]或直接干擾競(jìng)爭(zhēng)[20]可能導(dǎo)致消極的相互作用,這些積極或消極的互作關(guān)系可能以各種方式影響土傳病原菌入侵的結(jié)果。促進(jìn)和競(jìng)爭(zhēng)可能會(huì)影響資源的可利用性,從而影響生物入侵的可能性[53-54]。高度競(jìng)爭(zhēng)的合成菌群如果能夠有效利用和消耗原本可供入侵生物使用的資源,則該合成菌群不太容易受到入侵[55-56]。相反,相互促進(jìn)的合成菌群可能通過產(chǎn)生次級(jí)代謝物或公共物質(zhì)來增加資源生態(tài)位的數(shù)量,這些物質(zhì)也可以被入侵生物利用[57]。需要注意的是,合成菌群的有毒代謝物可能對(duì)合成菌群本身產(chǎn)生負(fù)面影響[58,50],如果毒素對(duì)土著群落的成員產(chǎn)生很大的負(fù)面影響,那么這種干擾競(jìng)爭(zhēng)則有望促進(jìn)入侵。越來越多的研究表明,競(jìng)爭(zhēng)型的合成菌群具有更高的穩(wěn)定性[59-60],更能抵抗土傳病原菌的入侵[18]。選擇合成菌群成員不僅需要考慮同一營養(yǎng)級(jí)物種間的互作(競(jìng)爭(zhēng)、互利等),還應(yīng)考慮多營養(yǎng)級(jí)生物間的互作關(guān)系,如捕食和寄生[61]。另外,還可以構(gòu)建代謝互養(yǎng)模型[62],利用群感效應(yīng)調(diào)節(jié)群體數(shù)量[63],以及引入第三方調(diào)解種間關(guān)系形成穩(wěn)定共存的“剪刀-石頭-布”模型[64]等,綜合運(yùn)用以上原理設(shè)計(jì)的合成菌群,可在一定條件下有效抵抗土傳病原菌的入侵。

3.3 穩(wěn)定的菌群抑病功能

施用合成菌群到植物根際防治土傳病害的過程中會(huì)遭遇外界環(huán)境變化的擾動(dòng)、土著微生物的競(jìng)爭(zhēng)排斥和上一營養(yǎng)級(jí)生物的捕食等。為了使合成菌群在根際中長(zhǎng)期發(fā)揮其功能,有必要維持其魯棒性(robustness)和穩(wěn)定性(stability)。魯棒性指系統(tǒng)在擾動(dòng)或不確定的情況下仍能保持它們的特征行為。只有合成菌群具有一定的魯棒性,才能在動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中穩(wěn)定發(fā)揮其功能。由于長(zhǎng)期的演化、群落成員間合理的分工合作,自然菌群具有很高的魯棒性,可以很好地抵御外界環(huán)境的干擾。從這些天然菌群中受到啟發(fā),菌群中的成員不是一個(gè)個(gè)孤立的個(gè)體,而是彼此之間相互依賴的整體,因此設(shè)計(jì)具有魯棒性的抑病合成菌群應(yīng)先從建立密切的種間交流著手。合成菌群在面對(duì)環(huán)境溫度、pH、養(yǎng)分濃度[65-66]等變化后,其菌群結(jié)構(gòu)、互作關(guān)系以及代謝網(wǎng)絡(luò)的變化對(duì)病原菌入侵的抵抗力是衡量其抑病功能穩(wěn)定性的另一重要指標(biāo)。目前大多數(shù)合成菌群是在充分混合的條件下進(jìn)行研究,但自然界中,尤其是土壤環(huán)境中,微生物仍存在于空間界定的結(jié)構(gòu)中,因此有必要研究空間結(jié)構(gòu)對(duì)合成菌群的影響,以理解合成菌群成員之間在時(shí)空上的互作及其抵御土傳病原菌入侵的穩(wěn)定性。

4 展望

合成生態(tài)學(xué)是當(dāng)前生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)之一,而合成菌群的構(gòu)建是合成生態(tài)學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容之一,主要是利用合成生物學(xué)、生態(tài)學(xué)和生物信息學(xué)的最新理論和研究進(jìn)展來合理設(shè)計(jì)適應(yīng)各種環(huán)境,具有更高應(yīng)用價(jià)值的微生物群落。盡管學(xué)者們利用合成菌群對(duì)根際核心微生物、群落互作關(guān)系以及群落與植物互作相關(guān)的某些科學(xué)問題進(jìn)行了探索,并取得階段性的成果,但合成菌群在根際免疫領(lǐng)域研究尚處于起步階段,以下幾個(gè)方面值得關(guān)注和研究。

1)根際核心菌群的結(jié)構(gòu)和功能特性。亟須利用合成菌群探究根際核心微生物群落的裝配機(jī)制(如隨機(jī)型/決定型)和影響因素(如土壤類型/植物生長(zhǎng)階段),揭示核心菌群的結(jié)構(gòu)和功能特性及其時(shí)空演化規(guī)律與根際免疫的關(guān)系。為進(jìn)一步揭示根際核心微生物在根際免疫中的作用機(jī)制,需要借助培養(yǎng)組學(xué)分離更多可培養(yǎng)微生物,進(jìn)行基因組測(cè)序及微生物分子標(biāo)記,并接種到改進(jìn)的無菌苗種植系統(tǒng)中對(duì)核心微生物組成員進(jìn)行系統(tǒng)研究。

2)多營養(yǎng)級(jí)合成菌群的構(gòu)建。除了利用合成菌群探究單一營養(yǎng)級(jí)生物(如細(xì)菌)功能基因、信號(hào)分子、生理特性對(duì)群落互作和功能的影響,還需要開展長(zhǎng)期的共進(jìn)化試驗(yàn)研究微生物群落互作演化規(guī)律、共進(jìn)化機(jī)制以及影響因素。此外,通過構(gòu)建多營養(yǎng)級(jí)的合成群落,比如包含細(xì)菌、噬菌體、真菌和原生動(dòng)物的復(fù)雜群落,對(duì)闡明根際微食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)和互作關(guān)系(競(jìng)爭(zhēng)、捕食、寄生等)與根際免疫的關(guān)系具有重要意義。

3)植物對(duì)合成菌群的響應(yīng)與識(shí)別機(jī)制。除了利用合成菌群探究植物抗性相關(guān)基因在根際菌群裝配的貢獻(xiàn)和作用機(jī)制,還應(yīng)在研究植物影響根際單一功能微生物定殖和功能發(fā)揮的基礎(chǔ)上,探究植物面對(duì)復(fù)雜的根際微生物群落時(shí)的識(shí)別和響應(yīng)機(jī)制。此外,植物往往同時(shí)免疫養(yǎng)分脅迫和病菌侵染問題,利用合成菌群探究根際微生物介導(dǎo)的植物礦質(zhì)養(yǎng)分(如鐵營養(yǎng)和磷營養(yǎng))脅迫與免疫的系統(tǒng)調(diào)控機(jī)制,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)綜合管理具有重要意義。

4)模型構(gòu)建與精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。建立連接根際菌群結(jié)構(gòu)與生態(tài)功能的預(yù)測(cè)模型對(duì)于精準(zhǔn)調(diào)控根際菌群功能至關(guān)重要,其中關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是將根際微生物組實(shí)證數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化、標(biāo)準(zhǔn)化,進(jìn)而進(jìn)行可靠的預(yù)測(cè)模型。將生態(tài)學(xué)理論、基礎(chǔ)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與工程開發(fā)策略(如設(shè)計(jì)-構(gòu)建-測(cè)試-學(xué)習(xí)循環(huán)[67])、大數(shù)據(jù)機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)結(jié)合,設(shè)計(jì)和研究合成菌群,有利于更好地理解群落結(jié)構(gòu)與根際免疫的關(guān)系。此外,合成菌群中物質(zhì)與信息交換驅(qū)動(dòng)的互作關(guān)系及機(jī)制還有待探究。通過計(jì)算機(jī)模型來進(jìn)行合成菌群各組成的設(shè)計(jì)是一種有效的方法,根據(jù)微生物數(shù)據(jù)庫中提供的微生物組信息來推斷微生物的功能。如代謝模型的建立,用來評(píng)估不同微生物之間是否具有代謝相關(guān)的聯(lián)系;結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法,降低模型對(duì)數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)的依賴性,也將成為突破瓶頸的有效手段[14]。

總體來說,如何從數(shù)量巨大的微生物組成員中,構(gòu)建出一個(gè)穩(wěn)定高效的合成菌群以提升根際免疫能力,依然是廣泛關(guān)注的問題。此外,植物微生物除了在幫助植物應(yīng)對(duì)土壤病原真菌、病原細(xì)菌和病菌線蟲等生物脅迫,還在緩解作物面臨干旱、水澇、鹽漬化、污染、養(yǎng)分缺乏等非生物脅迫中發(fā)揮重要作用[22,68-70]。因此,盡管本文重點(diǎn)論述合成菌群在根際免疫研究中的意義和進(jìn)展,但關(guān)于合成菌群構(gòu)建的思考也同樣適合于理解和解決其他相關(guān)領(lǐng)域問題。

致謝:浙江大學(xué)馬斌研究員和東北林業(yè)大學(xué)牛犇教授在文章寫作中給予了寶貴建議,謹(jǐn)致謝意。