植物根际沉积与土壤微生物关系研究进展

艾 超， 孙静文， 王秀斌， 梁国庆， 何 萍， 周 卫

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081)

植物根际沉积与土壤微生物关系研究进展

艾 超， 孙静文， 王秀斌， 梁国庆， 何 萍， 周 卫*

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081)

【目的】活跃的根际微生物被喻为植物的第二套基因组，在植物的生长发育过程中发挥着关键作用。植物通过根际碳沉积影响根际土壤微生物群落的结构和功能;作为根际微生态系统中的物质流、能量流和信息流，根际碳沉积是连接大气、植物和土壤系统物质循环的重要纽带;因此，理解根际碳沉积在根际微生态中的作用对于提高植物抗逆性，增加作物产量，调控根际养分循环等方面具有重大的理论意义。【主要进展】本文就近年来关于根际微生物领域的研究成果，重点综述了根际微生物多样性和组学研究;根际碳沉积的组成和产生机理;根际微生物群落结构的形成机制;根际微生物在促进作物养分吸收、提高作物抗逆性等方面的生态功能;以及气候变化和长期施肥对植物-微生物互作关系的影响。在此基础上我们提出了未来可能的研究重点和发展方向: 1)植物根际沉积物原位收集方法和检测技术的改进和发展;2)稳定同位素探针与分子生态学技术的结合，将植物、土壤和微生物三者有机地联系起来，综合分析根际界面中微生物的活性与功能; 3)高通量测序、组学技术和生物信息学等新技术的引入势必使根际微生物学研究发生革命性的变化; 4)随着全球气候变化和土壤肥力改变，例如全球变暖、CO2浓度升高和长期施用化肥，根际沉积物在植物-土壤-微生物中的分配与调节机制，以及这种环境选择压力下植物如何诱导根际促生菌发挥更大作用。希望通过平衡作物与微生物之间的相互关系来实现作物的高产高效，促进农田的可持续利用。

根际沉积; 根际微生物; 碳分配; 宏基因组学; 植物-微生物相互作用

植物-土壤微生物之间的相互作用很早就为人们所关注。1904年，德国微生物学家Lorenz Hiltner提出了“根际(rhizosphere)”这一概念，用以描述植物根系分泌物对土壤微生物的影响[1]。以后的100多年里，这一概念被广泛地应用于土壤学、植物学和微生物学领域。植物根系表面这一特殊的土壤界面具有极高的微生物多样性，是地球上最复杂的微生物群落之一。研究表明，植物根表定殖的各种微生物细胞密度远大于植物体内细胞密度，同时根际微生物所拥有的基因数量也远远超过植物基因[2]。如同人体肠道微生物组，根际微生物组好比植物的第二套基因组，对植物的生长和发育、养分获取、植物病虫害防御和产量提升起着至关重要的作用。因此，植物和根际微生物被比喻成一个“超级生物体”(superorganism)，植物通过根际微生物获得某些特定的功能，同时释放部分光合作用所固定的碳，为这些微生物提供基质和能量[3]。随着基因组学、转录组学和蛋白质组学等现代分子生物学技术水平的不断提高，有关植物根际微生物组学的研究也在不断的深入和发展。通过改善根际微生物生态环境来促进植物生长、增加植物抗逆性等方面的研究正日益成为人们的研究热点。

1 根际微生物多样性

1.1 根际微生物群落结构

近年来，大部分关于根际微生物的研究主要集中于细菌群落结构的分析。根据研究方法和研究对象的不同，植物根际操作分类单元(OTU)的数量在300～55000之间[3-8];这些研究均表明，变形菌(尤其是假单胞菌科和伯克氏菌科)是根际中最为丰富的优势菌群;这可能与变形菌的r-生长策略有关，因为大部分变形菌生长速度较快，能广泛地利用各种根际分泌物。利用454高通量测序分析，Uroz等[9]发现菌根根际(Xerocomuspruinatus和Sclerodermacitrinum)相比非根际土壤拥有更加丰富的α-、β-、γ-变形菌。基因芯片技术也被用来分析不同植物的根际微生物群落结构，Weinert等[5]研究发现三种不同马铃薯根际土壤OTU数量在1444～2015之间，根际的优势菌群为变形菌(46%)、厚壁菌(18%)、放线菌(11%)、拟杆菌(7%)、酸杆菌(3%);随着新一代系统发育芯片(PhyloChip)的产生，其探测的OTU数量能够达到60000个，其中包括细菌和古菌的147个门和1123个纲;研究发现，甜菜幼苗根际OTU数量超过33000个，这些OTU同样主要分布于变形菌门、厚壁菌门和放线菌门，然而仍有16%的OTU不能被具体划分[3]。因此我们需要进一步发展具有更高分辨率的方法去探索根际微生物组的结构和功能多样性。

1.2 根际微生物的组学研究

一直以来，由于传统微生物学研究方法的缺陷，土壤和根际微生物多样性被大大低估。随着基于免培养的(culture-independent)现代分子生态学方法的发展，人们发现环境中仅有1%的微生物是可以通过传统微生物方法进行实验室培养，而绝大部分环境微生物是不可培养的。Handelsman等[10]于2008年首次提出了环境中全部微小生物基因组总和的宏基因组(metagenome)概念，把土壤微生物的研究引入了一个新的发展阶段。Gans等[11]预测1g土壤中含有1百万个细菌基因组，远远超过了之前人们的预测;两年后，Roesch等[12]从西半球四个不同土壤样品中获得了139819个细菌rRNA基因，以及9340个泉古菌rRNA基因，OTU数量最多可达到52000，α-、β-变形菌和拟杆菌数量在各土壤中含量最多，此外他们还发现森林土壤在门水平上分类更加丰富，而农业土壤在门水平上分类相对较少，相反在种水平上分类更加丰富。建立根际宏基因组克隆文库，是研究不可培养微生物生态功能的关键方法，也是挖掘微生物基因资源的重要途径;Lee等[13]构建了3个辣椒和草莓根际宏基因组文库后，获得了142900重组质粒，其中14个具有脂肪分解活性，通过对活性最高的pFLP-2质粒测序发现了一个1191 bp，编码397个氨基酸的酯酶基因estD2，该酶可能属于脂解酶的一个新家族。利用宏转录组技术对小麦、燕麦、豌豆以及燕麦突变体(不能够产生抗真菌物质avenacins)根际微生物区系研究后发现，豌豆(豆科植物)相比小麦和燕麦具有更强的根际效应，根际拥有更加丰富的真菌数量;三种作物在根际代谢功能上有显著差异，谷物类植物拥有活跃的纤维素降解活性，而豌豆根际H2氧化能力更强[14]。

2 植物根际沉积

2.1 根际沉积的概念与组成

根系损失到土壤中的总碳被称为根际沉积(rhizodeposition)。这些植物源碳不仅改变了根际界面的物理化学特性，而且也是联系植物、土壤及微生物的桥梁，直接影响植物-微生物相互作用平衡。根际沉积物包括植物脱落的根系细胞和组织、植物粘液、挥发物，受损细胞裂解后的可溶性产物及活细胞的分泌产物。不同植物根际沉积组成差异较大，甚至同一物种不同品系之间也会有差异。据估计，牧草将30%～50%的光合产物分配至地下根部，小麦和大麦等谷类作物的分配比例也达到20%～30%[15]。对于谷类作物，这些分配到根部的碳约有一半保留在根系内，其余三分之一被根部细胞和根际微生物呼吸释放，剩下的部分被合并至根际微生物体内或土壤有机质中[15]。假设根系和微生物对根际呼吸作用贡献相等，那么根际碳沉积约占植物向根系输入碳的27%，约占植物净光合作用固定碳的11%[16]。然而这一比例是有争议的，因为不同的估算方法、研究手段、研究对象所得到的结果差异较大;而且根际沉积物中各化合物所占比例在不同植物中差异显著;例如，根际沉积物中绝大部分是不易挥发的物质，这其中糖和氨基酸被认为所占比例最大，然而我们忽略了一点，在进行根际沉积物研究时，我们通常先将根际溶液进行过滤，这样大部分根系脱落的细胞和组织被过滤掉，然而这部分物质在根际碳沉积中所占比例非常重要。

2.2 根际沉积的产生机制

植物持续地向根际土壤释放含碳化合物的过程可分为被动和主动两大类。被动过程包括植物体内物质被动扩散到土壤中，这一过程不受植物自身代谢调控的影响或影响很小;大部分根系分泌物可能均是通过被动过程释放到根际，而且主要发生在根尖的分生区[17]。根表的一些脱落物质的分解也同样是被动释放过程，如黑麦根系残体降解时，会产生阿魏酸、原儿茶酸、鞣酸和香子兰酸等化感物质[18]。主动过程是指植物生长发育过程中或环境条件变化下，为了实现某一功能主动向土壤中释放特定物质的过程，植物通过自身代谢作用能够控制这一过程的发生，例如豆科植物释放黄酮类化合物(flavonoids)诱导根瘤菌基因表达，从而导致二者共生进行固氮作用[19]。最近，徐国伟等[20]研究发现氮肥和秸秆还田也影响到根系分泌物的组成;秸秆还田能够提高水稻根系分泌物中苹果酸、琥珀酸以及草酸的含量，降低柠檬酸的比例;根系分泌物中有机酸和氨基酸总量在秸秆还田后明显上升。

2.3 根际沉积的产生部位

植物根尖分为根冠、分生区、伸长区和成熟区。根冠位于根尖的最前端，其外缘细胞产生和分泌的多糖粘液约占根际碳沉积的2%～12%[17]。随着根系的生长，这一部分根冠外缘细胞将会脱落释放到根际土壤中，约占整个根际碳沉积的10%[21]。这些具有一定生物活性的细胞会影响根际微生物的结构和功能，包括: 刺激芽孢的形成、抑制病原体、特异性的化学诱导/排斥等。不同植物的根冠外缘细胞数量是不同的，这主要与植物根尖分生组织的类型(开放型、半开放型、封闭型)有关。封闭型根尖分生组织植物释放的根冠外缘细胞最少，例如甘蓝型油菜和拟南芥几乎不释放根冠外缘细胞。根尖分生区也是根系分泌释放的重要部位，而且主要是被动扩散过程;因为这一区域的细胞分裂生长活性最为强烈，植物向下分配的碳水化合物大量集中在这一区域，导致根表内外形成显著的电化学梯度，根系分泌物被动的扩散至根际土壤[17]。伸长区位于分生区后方约0.5 mm处，其细胞增长速率增加10～20倍，相当于根尖向前移动的速度为0.2～1.0 μm/s[22]。这意味着根冠和分生区诱导的微生物随着根尖的前移，将附着在伸长区表面。植物根尖成熟区会形成大量的根毛，这些根毛分泌大量的粘液来结合土壤颗粒，促进根系与土壤进行物质交换。

3 根际微生物群落结构的形成机理

3.1 影响根际微生物群落结构的因素

根际微生物受到各种生物或非生物因素的调控。大量的研究表明，土壤类型是影响根际细菌和菌根真菌群落结构最重要的因素[7, 23-24]。不同土壤类型不仅决定了根际微生物区系的初始状态，而且复杂的土壤物理化学性质还可以调节植物生理特性和根际碳沉积模式，间接影响根际微生物区系。最近的两项研究中，Lundberg等[23]和Bulgarelli等[7]对拟南芥根系微生物群落结构在空间上的分布进行了详细的描述;利用454测序技术对600多株拟南芥的非根际土壤、根际和根内三个部位的细菌16S rRNA进行测序后发现，土壤类型是根际与内生菌群落结构的决定因子，而生长阶段和基因型对根际和内生菌有一定的调节作用[7, 23];相比非根际土壤，拟南芥内生菌生物多样性显著下降，且主要为放线菌和变形菌，其中内生变形菌为非特异性的腐生细菌，可能出现在自然界任何植物的根系细胞壁表面[7];相反，内生放线菌与根系活细胞有非常密切的关系[7]。

宿主植物对根际微生物的影响是一个复杂的过程，包括植物类型、品种、根系拓扑结构和数量等影响因子。单一的根系分泌物也可能引起根际微生物的连锁反应，例如黄酮类化合物不仅可以诱导根瘤菌与宿主进行共生固氮，也能刺激病原菌(如大豆霉菌，Phytophthorasojae)生长、促进菌根真菌孢子萌发和菌丝分支、影响细菌群感效应(quorum sensing)。陈林和张佳宝[25]对不同玉米品种根际微生物活性和群落结构研究后认为，玉米品种之间形态学上的差异可能是导致根际微生物结构和功能不同的重要原因。Bulgarelli等[26]总结了植物根系微生物区系的形成机理，并提出了两步选择模型(two-step selection model)。在这个模型中，土壤作为根际微生物最初的资源库，决定根际和内生菌群落的基本结构;第一次选择过程中，植物根系碳沉积和细胞壁将诱导有机营养菌在根际的生长，导致根际微生物群落结构开始发生变化;第二次选择过程中，宿主植物基因型将进一步调整根面和内生菌的生长过程，形成植物所特有的根系核心微生物区系。

除土壤、植物类型等因素外，种子内部和表面微生物对根际微生物区系也有潜在影响。目前这方面的研究主要集中在种皮上人工接种的功能微生物，而种子自身所带微生物对根际微生物群落的影响(母体效应)研究较少。Normander等[27]发现黄瓜幼苗根际微生物主要来自于土壤而不是种皮，表明种皮微生物对植物根际微生物群落的组成影响很小。然而种子内生菌可能存在不同情况，对野生型和现代玉米品种研究后发现，部分种子内生菌能够在根际土壤中定殖[28]，说明植物能够将某些特定微生物传递给下一代。这种遗传效应对自然界中植物-微生物相互作用的进化发展有着非常重要的意义。

3.2 植物与微生物之间的根际碳流

近年来，稳定性同位素探针技术(Stable Isotope Probing，SIP)已成为研究微生物遗传多样性与功能多样性最有力的工具之一。安婷婷等[29]利用13C标记方法发现，覆膜配合施用有机肥能够显著提高玉米对13C的光合固定数量，促进13C向玉米和土壤中的分配。Lu和Conrad[30]利用RNA稳定性同位素探针技术研究水稻根际碳循环的关键微生物种群和功能，发现了一组新古菌的产甲烷功能。Haichar等[31]利用DGGE-SIP技术，对四种植物根际微生物碳源利用特征研究后，发现鞘脂杆菌目(Sphingobacteriales)和粘球菌属(Myxococcus)主要同化利用根际植物源碳，而鞘脂单胞菌目(Sphingomonadales)对植物源碳和土壤固有碳均加以利用。通过耦合稳定同位素探针和454高通量测序技术，我们的研究发现小麦根际碳沉积大量被放线菌和变形菌代谢利用，尤其是α-，β-变形菌;而酸杆菌、绿弯菌、厚壁菌、拟杆菌在小麦根际中主要以土壤原始有机质(SOM)为碳源。

大量研究表明，菌根真菌在植物根际碳流分配方面起着非常重要的作用。据估算[32]，每克土壤中丛枝菌根真菌(AM)菌丝长度大约为3～30 m，而在一些未干扰的草地土壤中其长度可达到68～101 m;外生菌根(EM)菌丝的长度大概在3～600 m之间，但是这一结果的可信度有待进一步验证，因为EM菌丝与其他腐生真菌非常类似，我们不能准确地将二者区分开来。在自然或半自然的植被系统中，绝大多数植物均可以与菌根植物共生，这就意味着菌根真菌可能通过调节根际碳流来影响根际其他微生物的生长。菌根真菌在根际碳流中的作用主要包括三个方面: 1)将植物源碳用于自身内/外生菌丝的生长;2)作为通道进一步将植物源碳释放到菌根根际中;3)菌根自身作为底物被其他微生物代谢利用。2010年，Drigo等[33]在根际碳流方面提出了一个概念模型，该模型认为菌根植物向根外释放的光合碳大部分将优先分配到菌根体内，此过程在一个较短的时间(1 d)内完成;随后，菌根真菌会逐渐将这些植物源碳释放至根际(或菌根根际)，供微生物代谢利用。在田间试验条件下，利用13C稳定同位素标记牧草植物21 h后发现: 植物释放的碳有5.4%～7.7%被AM真菌菌丝呼吸代谢;3.9%～6.2%被固定在菌丝体内[34]。一系列培养试验结果也表明: 植物净固定碳的7%～30%被分配到EM真菌菌丝中，其中16%～71%通过呼吸代谢损失[32]。但是这一分配比例可能偏低，因为短期内的标记试验只能测定到碳在细胞质中的分配，而忽略了之前形成的真菌细胞壁。

4 植物与根际微生物的相互作用

4.1 根际微生物促进植物养分的吸收

在根际土壤养分有效性方面，根际微生物发挥着不可替代的作用。例如，植物碳沉积可以加速微生物对根际土壤有机质的矿化分解(正激发效应)，土壤有机质分解后释放各种矿质营养供植物吸收利用。在植物氮、磷养分方面，固氮菌[35]和菌根真菌[36]促进植物氮、磷的吸收也是最为典型的例子。植物与菌根真菌共生的意义还在于将土壤中的矿质养分运输到植物体内、促进土壤团聚体形成、改善土壤物理结构、抑制土传病害等。自从根瘤菌属(Rhizobium)和慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)被发现后，不断有其他固氮微生物在根际中被发现，例如对亚马孙西部的农业土壤研究后发现，豇豆根际拥有非常高的固氮基因多样性;室内试验和16S rRNA测序结果表明，慢生根瘤菌、根瘤菌、伯克氏菌属(Burkholderia)、无色杆菌属(Achromobacter)均具有与豇豆根系进行生物固氮的潜力[37]。人们一直希望将这些植物专一性的共生微生物接种至其他重要的粮食作物上，来改善作物养分状况和减少肥料施用量，但是目前这一方面的研究进展缓慢。Geurts等[38]认为要实现这一目标，必须从本质上弄清楚宿主植物根系细胞对根瘤菌和菌根真菌的诱导机理。

根际微生物还可以促进植物对微量元素的吸收，如植物对铁的吸收利用。一般土壤中铁含量较高，但对于一些中性或碱性土壤，铁主要以不溶于水的氧化铁形态存在，植物不能够直接利用这种无效态铁。在缺铁条件下植物有两套适应性机制来抵御低铁胁迫，一般双子叶植物和非禾本科单子叶植物通过降低根际pH来提高根际铁的有效性(机理Ⅰ);而禾本科单子叶植物主要是通过增加植物铁载体(phytosiderophore)合成和释放来促进铁离子的吸收(机理Ⅱ)。当根际中有效铁含量过低和过高时，根际细菌也会通过分泌铁载体(siderophore)来调控细胞内的铁离子浓度。研究发现，这种微生物铁载体与铁离子形成的螯合物也可以被植物所吸收。例如，荧光假单胞菌分泌的铁载体不仅能够促进禾本科植物对铁离子的吸收，而且也能够改善双子叶植物铁营养状况[39];少根根霉(Rhizopusarrhizus)分泌的真菌铁载体能够促进植物对铁的吸收[40]。同时，根际细菌也能够激活植物本身的铁离子吸收系统，菌株GB03能够上调FIT1转录因子(Fe-deficiency-induced transcription factor 1)表达，诱导产生Fe3+还原酶和铁转运体[41]。

4.2 根际微生物增强植物的病虫害抗性

根际是植物抵御病虫害的重要防线。根际微生物能够预防或抵御土传病害的入侵，涉及到的主要机制包括: 抗生作用、养分元素(微量元素)的竞争、生态位的竞争、寄生现象、干扰群感效应等[2]。部分根际细菌和真菌产生的抗生素能够抑制竞争微生物的生长和活性，其中木霉属(Trichoderma)产生的抗性化合物备受人们的关注[42]。近年来，根际微生物产生的挥发性有机化合物(VOCs)越来越受到人们重视。这一类物质分子量小，扩散能力强，尽管所占根际微生物代谢产物比例不大，但是独特的性质使得其在根际土壤长距离调控中发挥着重要的作用。嗜麦芽寡养单胞菌(Stenotrophomonasmaltophilia)、普城沙雷菌(Serratiaplymuthica)、平凡假单胞菌(Pseudomonastrivialis)、荧光假单胞菌(P.fluorescens)、枯草芽孢杆菌(B.subtilis)、洋葱伯克霍尔德氏菌(Burkholderiacepacia)等均能产生VOCs抑制植物病原真菌菌丝的生长[2]。最近的研究结果表明，植物根系碳沉积能够影响VOCs的功能，不含氨基酸的根系分泌物加入土壤后释放的VOCs对细菌有强烈的抑制作用，但是对真菌影响较小;相反，加入氨基酸后VOCs对真菌也有显著的抑制作用(Garbeva, 未发表数据)。

根际微生物也能够直接调节植物免疫系统[43]。一般情况下，根际益生菌通过植物激素茉莉酸(JA)和乙烯(ET)途径来引起植物的系统防御反应[43];但是也有部分细菌是通过水杨酸(SA)途径[2];而根际蜡状芽孢杆菌(Bacilluscereus)同时利用这些途径来引起植物的系统防御反应[44]。此外，根际细菌群体感应信号分子也引起一系列宿主植物反应，包括诱导MPK3、MPK6、WRKY22、WRKY29和Pdf1.2等相关防御基因的表达。吴秉奇等[45]对两株根际促生菌(YC0573和YC0136)的烟草黑胫病防治效果研究后发现，温室条件下YC0573和YC0136的防治效果分别达到 90.9%和 95.4%，生防菌能够诱导烟草产生系统抗性(ISR)，包括超氧化物歧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、苯丙氨酸解氨酶和多酚氧化酶等防御酶活性升高以及叶绿素、电解质、相对渗透率等生理指标发生改变。人们对根际细菌引起的宿主植物转录水平和代谢活性变化进行了大量的研究，Weston等[46]发现两种不同的荧光假单胞菌(P.fluorescens)均降低宿主植物拟南芥的碳同化量，但是当有病原菌丁香假单胞菌(Pseudomonassyringae)感染时，这两类细菌均能够提高植物的抗病能力。这些结果表明根际细菌能够通过多种方式影响宿主植物的免疫、生理和代谢活动，诱导植物产生大量次生代谢产物;分析这些物质的结构和活性，将有利于我们了解它们在诱导植物系统防御过程中所起的作用。

4.3 根际微生物增强植物在环境胁迫下的生存能力

根际微生物能够增加植物在极端环境中的生存能力。一株从干旱高盐环境分离出的PGPR菌株皮氏无色杆菌(AchromobacterpiechaudiiARV8)能够产生1-氨基环丙烷-1-羧基脱氨酶，显著增强辣椒和西红柿对干旱的忍耐力[47];同样，在淹水胁迫下，根际促生菌也能够促进植物的生长。土壤盐分过高会产生渗透和干旱胁迫，因而很容易影响作物产量。在盐分胁迫条件下，耐盐细菌可以通过一系列措施改善宿主植物的生长，Upadhyay等[48]对生长在盐渍化土壤上的小麦根际130株细菌研究后发现，其中24株能够忍受较高浓度的NaCl(8%)，而且这些菌株均能够产生吲哚乙酸(IAA);10株为溶磷菌;8株能够产生铁载体;6株能够产生赤霉素;两株含有固氮nifH基因。低温也是经常限制植物生长的环境胁迫因子，低温能够影响根瘤的形成和固氮过程，然而高纬度地带的豆科植物仍然能够正常的结瘤和固氮。研究表明，促生菌BurkholderiaphytofirmansPsJN在低温条件下能够促进葡萄根系的生长和生理活性，在10℃条件下，荧光假单胞菌的耐寒突变体相比野生型具有更高的磷溶解能力[49]。土壤酸化是现代农业生态系统中普遍存在的问题，Raudales等[50]首次发现了荧光假单胞菌能够显著减少作物在低pH土壤中生长引起的叶片病变，这表明荧光假单胞菌不仅能够减少病虫害，而且能够提高植物对非生物胁迫的抗逆性。

5 环境变化对植物-微生物关系的影响

5.1 全球气候变化

全球气候变化使得植物所处的生长环境在不断的变化，包括气温上升、CO2浓度增加、植物生长带改变等，其中大气CO2浓度被认为是影响植物根际微生物生态的关键因子。土壤碳的储存量远大于植被系统，它是陆地生态系统最重要的有机碳库。活性土壤孔隙间CO2浓度(大约为2000～3800 mg/kg)远高于大气浓度，因此有人预测未来100年大气CO2浓度升高对土壤微生物的直接影响可能较小，CO2浓度升高主要是通过调节植物光合作用来间接影响土壤微生物群落结构和功能，这其中就包括改变植物根际碳沉积模式、根际食物网组成和功能等[51]。相比C4植物，C3植物在这一过程中可能受到的影响更加显著。Drigo等[33]研究表明，CO2浓度升高改变了C3植物地下部分碳的分配途径，尤其是对丛枝菌根真菌的影响，进而改变了与之相关联的细菌多样性及活性。根际中常见的定殖者伯克氏菌和假单胞菌受到CO2浓度影响较大，而芽孢杆菌不受影响且在非根际土壤中更加丰富，CO2浓度的升高也增加根际中的总糖浓度[52]。Nelson等[53]发现,CO2浓度的升高改变了大豆根际古菌群落结构，但是古菌基因数量没有发生变化，而C4植物玉米的光合作用以及产量没有受到CO2浓度升高的影响。严陈等[54]研究表明，氮肥施用量较高的情况下，大气CO2浓度增加明显提高水稻根际土壤中Ⅰ型甲烷氧化细菌的丰度。

5.2 农田肥料长期施用

农业生态系统中植物与微生物的相互关系可能显著不同于其他自然生态系统。在无人工干扰的自然生态系统中，微生物与宿主植物长期的进化发展，形成良好的互作关系，因此植物种类是影响根际微生物区系的关键因子。然而在农业生态系统中，同一作物在不同的土壤类型上种植以及不同的农艺措施，使得土壤类型以及不同种植方式是影响作物根际微生物的重要影响因素;而且农业生态系统根际微生物多样性一般低于无人为干扰的自然生态系统。集约农业中化肥的大量施用不仅改变了土壤的物理、化学及生物学特性，也将改变植物-微生物的相互关系。例如，施用无机化肥能够显著抑制36%～46%的根际微生物呼吸作用，这可能与根际碳流的减少有关[55];同时无机化肥还可以直接影响根际微生物的生理功能。基于焦磷酸测序的研究表明，氮肥能够增加硝化螺菌[56]和放线菌的数量，反而降低酸杆菌和疣微菌的数量[57]。通过对甜瓜根系内生菌的研究发现，施用生物有机肥使根系内生细菌数量增加2.42～3.27倍，枯草芽孢杆菌数量增加0.92～23.7倍，真菌数量减少了85.9%～95.6%，病原菌数量减少了85.0%～98.3%;并且生物有机肥能够增加根系内生拮抗细菌数量，上述结果表明施用生物有机肥能够有效地防止甜瓜土传病害[58]。我们的研究结果表明，施用有机肥显著降低了以根际沉积为碳源的细菌多样性，而化肥促进部分纤维杆菌对植物源的利用;拟杆菌和绿弯菌数量在根际土壤中显著增加，但这一根际效应并不是植物碳沉积诱导的结果，说明植物存在其他的调控机制诱导这些细菌在根际中定殖;长期施用化肥，显著改变了华北平原石灰性潮土的细菌群落结构，特别是有利于放线菌和硝化螺菌的生长;然而，我们发现有机肥的施用能够将这种已改变的细菌群落向其初始的状态进行恢复。利用宏基因组技术，Fierer等[59]发现随氮肥施用量增加，土壤中DNA/RNA复制、电子传递、蛋白质代谢等功能基因数量显著增加，认为氮肥能够直接或间接影响土壤优势微生物的生存策略，更加有利于富营养微生物群落(copiotrophic microbial community)的生长。

6 根际微生物研究展望

根际是土壤-植物系统物质循环的门户，根际沉积物则是植物与周围环境进行物质循环、能量交换、信号传递的重要媒介，这一特殊生态位中植物-土壤-微生物三者之间的相互关系已经成为了农业研究的重要领域。随着分子生物学和组学技术的发展，近年来在根系分泌物组成、根际养分活化、根际微生物群落结构、根际有益微生物及其促生作用、根际病原菌及其防治等方面开展了大量研究。无论是在研究方法上，还是在过程机理、影响因素和环境效应都取得了长足的进步。然而随着认识的不断深入，各种影响根际生物学发展的因素和技术瓶颈逐步显现，未来的研究还需要从以下几个方面进行突破:

1)目前，对植物根际碳沉积数量和组成的研究主要采用水培和沙培方式，所得到的结果与大田土壤实际状况有较大差异，原位收集方法和检测技术的改进将极大地促进植物根际碳沉积的定量研究，有利于揭示土壤肥力演变、全球气候变化等环境条件改变下植物地下碳的分配规律。

2)在根际界面上，植物、土壤和微生物是一个连续的整体，三者之间具有很强的依赖性，所涉及的生物化学过程也非常复杂;然而，已有的大部分研究只针对单一对象进行分析，所得到的结论不能反映该对象在整个根际过程中的作用和地位。目前稳定同位素探针技术与分子生态学技术的结合，为我们原位研究植物-土壤-微生物关系提供了新的思路，该方法不仅可以准确的展示植物光合碳的去向，而且能够综合地揭示根际沉积物和土壤微生物的相互关系及其生态功能。

3)随着第二代测序成本的不断降低，以及宏基因组、宏转录组和宏蛋白质组学的发展，基于免培养的现代分子生态学技术正迅速地推动着环境微生物学的发展;如何运用这些新技术对根际微生物的结构和功能进行挖掘，以及生物信息学分析在根际微生物研究中的应用将是未来研究的重要领域。

4)植物通过调节根际沉积物来改变根际微生物群落的结构和功能，这是自然选择的结果;在长期的进化过程中，环境因子促使植物与土壤微生物形成特定的关系，使双方各自获得有利于自身发展的功能。随着全球气候变化和土壤肥力改变，例如全球变暖、CO2浓度升高和长期施用化肥，未来的研究重点将是环境选择压力下，根际微生物的响应机制以及植物诱导根际促生菌的作用机理，在这一调节过程中植物根际沉积物可能发挥着不可或缺的作用。

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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 网络出版日期: 2015-06-01

国家自然科学基金项目(31372136);农业部公益性行业(农业)科研专项(201003016);现代农业产业技术体系建设专项资金(CARS-01-31);国家重点基础研究发展计划(2013CB127405)资助。

艾超(1985—)，男，湖南岳阳人，博士研究生，主要从事农田养分循环与微生物生态研究。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