根际微生物研究进展

　　1904年，德国微生物学家  Lorenz  Hiltner  提出了根际概念，他将根际定义为根系周围、受根系生长影响的土体。100多年来，根际研究方兴未艾，根际概念也不断得以丰富和完善。为纪念根际概念诞生100周年，亦为交流根际研究的最新进展，2004年9月在  Hiltner  的故乡、也是他曾工作多年的城市—慕尼黑召开了第一届国际根际大会。450多位国际根际研究专家参加了会议，会议分成16个分会，共有113个会议报告和308个墙报展示。微生物是整个会议交流的重点，共有9个分会、69篇会议报告和192篇墙报报告微生物的研究进展，分别占总数的56％、61％和62％。现根据会议交流情况结合近年来国际上根际微生物的研究动向，对根际微生物研究的最新进展和面临的挑战作一概要综述。

1  根际微生物研究方法进展

　　环境微生物的生物多样性过去通常是用分离和培养技术加以研究的。近20年来，分子生态技术迅速发展，通过对环境16S  rRNA  基因进行的大量研究表明，微生物生物多样性远比用传统方法估计的要高。微生物工作者惊奇发现环境中绝大部分微生物实际上从没有得到过培养，这些未培养的微生物与已培养的种群在系统发育上存在很大差距。根际与其他生境一样，用分子生态方法证明根际微生物不仅具有丰富的多样性，而且含有大量未培养的微生物种群。但是尽管在包括根际在内的不同生境中发现了大量未培养微生物，对这些微生物在环境中的功能目前仍了解很少。大部分根际过程的微生物学机理尚不清楚。深入理解根际微生物生化过程和植物—微生物相互作用的机理仍然是根际微生物工作所面临的重大挑战。近年来分子生态方法已取得了一系列新的突破性进展，这些新方法使探索根际微生物不同个体的生态功能成为可能。

　　Hurek  等提出测定环境微生物新陈代谢中的关键基因能提供微生物群体的功能信息。例如固氮基因特别适合于进行固氮微生物的系统发育分析。建立功能基因文库可揭示根际微生物的功能多样性。mRNA  实时定量分析则可预测功能基因的表达水平。Martin  等认为功能基因组学正在使生物机理研究有了突飞猛进的进展。功能基因组学是分析有机体的所有遗传物质，并将遗传信息与有机体的形态和功能联系起来。通过以基因组学为基础，在不同水平上分析转录组学、蛋白组学和代谢组学，有可能使生物共生关系的机理研究取得突破性进展。但是基因组学在共生菌根菌、细菌—真菌—植物多级营养关系的研究上还面临着许多技术上的困难。将有机体之间的相互作用在分子层面上进行剖析，不仅需要对单个基因进行了解、还需要对多个基因的相互作用和表达进行研究。基因组学必须要面对这些相互作用的复杂性、面对根际微生物及其共生体随根际生物、物理、化学条件而发生适应变化的复杂性。目前，DNA  芯片技术已在植物和基础微生物学研究方面得到广泛应用，但在根际微生物生态领域的应用尚属起步阶段。Sanguin  等用16S  rRNA  基因芯片技术观测玉米根际的细菌群体结构。他们设计了包含200个正核苷酸探针(片段长为20碱基)的  DNA  芯片，测试玉米根际和根外土壤的微生物群体，当以19个农杆菌(  Agrobacterium  )序列为目标时，根际  DNA  的杂交水平明显高于根外土壤；但当用广谱性探针时，尽管有12个探针的杂交水平高于根外土壤，41个探针的杂交水平却明显低于根外土壤。Shinano  等亦报道了用于探测根际微生物群体的  DNA  芯片研制工作，通过用人工细菌组合，发现一些细菌，如伯克霍尔德氏菌(  Burkholderia  )和芽孢杆菌(  Bacillus  )，很容易被  DNA  芯片检测到，但另一些细菌如农杆菌、根瘤菌(  Rhizobium  )和亚硝化螺菌(  Nitrospira  )却难以测到。这些研究表明用  DNA  芯片技术有可能对根际微生物群体结构和功能进行高通量分析，但是技术本身尚有许多有待完善的地方。

　　在探索根际微生物功能的研究中，另一个新的方法是将稳定同位素标记技术与分子生态技术相结合。这是一个很有应用前景的方法，在研究植物—土壤生态系统物质流对根际微生物群落结构和功能的影响方面大有用途。根际碳流是土壤微生物生物多样性的主要驱动力。如何将根际碳流与微生物生物多样性联系起来一直是根际研究的一个重要命题。Radajewski  等首次报道稳定性同位素探针在环境微生物生态中的应用，此技术为测定微生物底物利用和功能研究提供了强有力手段，特别适合于根际生物过程的研究。技术要点是首先向受试环境供应  13C  标记底物，然后从环境提取核酸，用超速离心将核酸分成重核酸(  13C  标记)和轻核酸(非  13C  标记)若干部分。用分子生态技术分析  13C  标记和非标记的核酸，用系统发育分析方法确定‘活跃’和‘非活跃’微生物的种类。此技术可避免实验室培养而直接原位探测微生物种类的功能。目前此技术已经应用于探测有机污染物的生物分解。Prosser  等认为此技术可用于原位探测参与根际碳流的‘活跃’微生物群落。Lu  等用此技术测定了水稻根系的产甲烷古生菌和产乙酸细菌群落。

2  微生物生物多样性和生态功能

2.1  植物—微生物相互作用

　　在陆地生态系统中，植物是第一生产者，土壤微生物是有机质的分解者。植物将光合产物以根系分泌物和植物残体形式释放到土壤，供给土壤微生物碳源和能源；而微生物则将有机养分转化成无机养分，以利于植物吸收利用。这种植物—微生物的相互作用维系或主宰了陆地生态系统的生态功能。根据碳同位素示踪研究，禾谷类作物一生中，约有30％～60％光合同化产物转移到地下部，其中40％～90％以有机和无机分泌物形式释放到根际。Lynch  和  Wipps  将所有从根释放的物质定义为根际淀积，其成分和数量受植物种类、年龄、土壤生物、化学和物理因子的影响。

　　根际微生物是受植物影响最大的土壤微生物群体。与根外土壤比，可溶性根系分泌物为微生物提供了丰富的有效性碳源。Piutti  等研究了玉米根际微生物群体的季节性变化，在营养生长阶段，根际微生物活性和细菌丰度明显高于根外土壤，但在植物生殖生长阶段，由于根系可溶性碳的释放下降，根际效应随之消失，可培养细菌的生物多样性也明显下降。Zolotilina  等观察到沙漠野生植物的根际细菌种类比根外土壤多1.5～3陪，根际微生物数量在不同植物间有明显差异。Costa  等用  PCR-DGGE  方法对  16S  rRNA  和18S  rRNA  基因进行多态分析，发现细菌的  DGGE  指纹在根际和根外土壤有很大差别，根际微生物群体在不同植物间亦有很大差异。Marschner  等用相似方法研究了根距、土壤  pH、植物类型和共生菌根菌对根际细菌群体结构的影响。发现在玉米根际，离根2  mm  土壤的细菌群体明显不同于2  mm  以外土壤；在高梁根际，根系有机酸分泌引起的土壤  pH  变化影响了细菌群体结构；白羽扇翩豆的根际细菌群体结构也与有机酸分泌作用密切有关。Sharma  等用  PCR-DGGE  方法研究了在中欧地区3种主要豆科作物根际微生物的生物多样性，发现发酵性细菌(  Firmicutes  )是所有豆科作物根际丰度最高的细菌种群，其次是变形杆菌(  Proteoabcteria  )；作物种类对根际土壤细菌种类的影响十分明显，如豌豆根际缺少  β-变形杆菌，而蚕豆根际缺少  γ-变形杆菌；羽扇豆和豌豆根际的细菌结构比较接近，而与蚕豆根际的细菌结构差异较大。Deube1  等研究了土壤  pH  和  P  供应状况对3种作物(大麦、豌豆、甘蔗)根系微生物的影响，3种作物根系分泌物的差异导致了根际微生物群体功能的差异。以上这些研究表明根系分泌物的质和量对根际微生物群体结构和生态功能有很大影响。

　　根际微生物生物多样性不仅受植物种类、年龄等因子影响，而且也受地上部生物多样性的影响。Kowalchuk  等研究了地上部—地下部生物多样性的耦联作用。他们认为地上部—地下部的耦联作用随根距离的增大而减弱；地上部生物多样性对土壤微生物结构的影响只在根际有明显反映；若将根际微生物分成植物根紧密结合型(如固氮细菌、菌根菌和内生细菌等)和非紧密结合型(如硝化细菌)两类，植物生物多样性对紧密结合型微生物的影响显著大于非紧密结合型。他们还专门研究了植物种类对未培养微生物如乳杆菌(  Acidobacterium  )和疣微菌(  Verrucomicrobium  )的影响，发现植物对这些细菌有高度的选择性。这个研究表明植物生物多样性对根际微生物、特别是紧密结合型微生物的生物多样性有很大的调控作用。植物间作套种能增加地上部的生物多样性，这不仅可改善地上部生态功能，还可促进根际生物多样性。Hiddink  等在3种土壤上测试黑小麦和三叶草间作对微生物群体的影响，发现间作降低了黑小麦的发病指数。16S  和  18S  rRNA  基因分析表明黑小麦和三叶草单作时，其根际微生物群体有很大差异；但间作后一些三叶草根际特有的微生物出现在黑小麦根际。这些结果表明间作可改变根际微生物群体结构并影响植物健康。

　　另一个影响根际微生物生物多样性的重要因子是生活在根际内的其他生物体、如菌根菌和原生动物等。Paul  和  Finlay  研究了森林土壤外生菌根菌对细菌生物多样性的影响。他们采集油松根系的两种菌根菌类型，用  DGGE  技术分析发现与两种菌根菌结合的细菌群体有明显差异。他们认为森林土壤菌根菌的演体变化可能影响了细菌群体结构，从而影响了森林土壤的生物地球化学过程。Jansa  等将3个菌根菌接种到韭葱和蒺藜状苜蓿两类植物，发现单独接种时，3种菌根菌均能很好定植根系，但当混合接种时，真菌间发生了竞争。这些研究表明根际内存在目前还很不清楚的生物间协作和竞争关系，这些关系显然会影响根际不同生物体的群体结构和功能。

2.2  植物有益细菌生物多样性

　　根际存在着许多对植物有益的细菌群落，包括生防细菌、能生产植物生长激素的细菌和固氮菌等。在农业生态系统中，充分利用这些细菌的生物学潜力将有助于减少化肥和农药投入、促进植物生长、减轻环境污染，实现农业可持续发展。

　　荧光假单孢菌(  fluorescent  pseudomonas  )的一些基因型是最常见的生防细菌，它们能生产抗生素氰化氢(  hydrogen  cyanide，HCN  )和2,4-二乙酰基藤黄酚(  2,4-diacetylphloroglucino1，Ph1)，对许多病原菌有抑制作用。在两种根腐病程度不同的土壤中，Ramette  等用分子手段分析了  HCN  合成基因的多态性，发现荧光假单孢菌有很多遗传突变型，土壤  Fe  的有效性可调节荧光假单孢菌的抗生素生产能力。Sverce1  等从新老葡萄园(951年和1603年)和葡萄—烟草轮作土壤分离荧光假单孢菌，并进行  HCN  和  Ph1  基因的多态分析，发现葡萄根际的  HCN  和  Ph1  基因型假单孢菌数高于烟草根际，老葡萄园土壤的  HCN  和  Ph1  基因型高于新葡萄园土壤；轮作降低了  HCN  和  Ph1  基因型相对于总假单孢菌数的比例；根系分泌物似乎促进了一些生防细菌的发展。Bergsma-Vlami  等也研究了植物种类(小麦、甜菜、马铃茹和百合)对内生假单孢菌生物多样性和抗生素生产的影响，发现除百合根系外，其他植物均支持了大量生防假单孢菌的生长；用  DGGE  对  ph1D  基因进行多态分析发现500个分离菌株可分成7个基因型；某些基因型有很高的植物专一性，但主要基因型没有植物专一性；小麦根际抗生素的生产能力比其他植物根际强。这些研究表明寄主植物种类对生防菌的成分、动态和活性有一定调节作用。   (责任编辑：泉水)

搜索

热门标签:

根际微生物研究进展