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果树根际微生物的组成、作用及调控

来源:原创论文网 添加时间:2021-11-16

  摘    要: 根际微生物群落在果树的营养、生长、发育和病理等方面扮演着非常重要的角色。在果树根际微生物群落中,有许多微生物有益于果树的生长,但也有一些微生物在根际定殖,它们力求突破有益微生物的保护屏障,克服果树固有的防御机制,引发果树疾病,危害果树健康。为了促进果树健康生长,了解果树根际微生物群落的组成和功能是至关重要的。结合近年来国内外果树根际微生物的研究进展,综述了根际微生物群落在维持果树生长和发育中的作用,以及如何通过重塑果树根际微生物组以实现水果可持续生产的策略。重点介绍了微生物介导、植物介导和农技管理3种重塑果树根际微生物的策略。

  关键词 :     果树;根际微生物;根系分泌物;可持续生产;

  Abstract: Hizosphere microbial communities play a pivotal role in the nutrition, growth, development and pathology of fruit trees. While many members of the rhizosphere microbiome are beneficial to plant growth, also plant pathogenic microorganisms are harmful to plant health by colonizing the rhizosphere striving to break through the protective microbial shield and to overcome the innate plant defense mechanisms in order to cause disease. To enhance plant growth healthily, it is essential to know who is present in the rhizosphere microbiome and what they are doing. Combined with the research progress of rhizosphere microorganisms of fruit trees at home and abroad in recent years, this review focuses on the role of rhizosphere microbial communities for maintaining growth and development of fruit trees, and how to re-shape the rhizosphere microbiome of fruit trees by introducing microorganisms, plant breeding and genetic engineering, agricultural technology management to achieve sustainable fruit production.

  Keyword: fruit trees; rhizosphere microorganisms; root exudation; sustainable production;

  我国是世界上最大的水果生产国与消费国,2019年全国水果种植面积1 227.7万hm2,水果总产量达到2.74亿t[1]。近年来,随着果树种植规模的不断扩大,水果产业占国民生产总值的比重也日益增加。在我国,水果是部分地区特别是丘陵山区赖以生存的支柱产业,在推动当地经济发展、改善农民生活等方面发挥了巨大的作用[2]。果树通常为多年生经济类作物,一般来说,其产量越高,对肥料的需求量越大,而土壤施肥是改善果园土壤养分供应、实现果树优质高产的重要技术措施。目前,在果树生产中尚存在着有机肥投入不足、氮肥过度施用等普遍问题,导致土壤质量下降、根际微生态失衡、病害加剧,制约了果树产量与品质的进一步提升。

  根际,即在植物根系表面、受植物根系活动直接影响的特定区域,是植物与土壤进行物质交换的活跃平台,其范围虽小,却被认为是地球上最复杂的生态系统之一[3,4,5,6,7]。根际微生物是指紧密附着于根际土壤中的微生物。研究证明,根际微生物群落主要通过影响植物的生理和发育,对果树营养、生长、发育和病理等方面起着举足轻重的作用[8],虽然根际微生物群落对果树生长的重要性已被广泛认识,但对于绝大多数根际微生物来说,人们对它们的了解非常有限。为了促进果树的健康生长,了解根际微生物群落的组成及各成员的功能,重塑根际微生物群以实现果树可持续生产是至关重要的。

  1 、果树根际微生物的组成

  果树根际微生物种类繁多、数量庞大,其组成会随着植物宿主的不同而不同。即使在同一株果树的不同生长阶段,其根系分泌物的变化也会影响到根际微生物的发育与组成。
 

果树根际微生物的组成、作用及调控
 

  2018年,有关全球柑橘根际微生物组的结构和功能的研究成果在国际期刊Nature Communications上发表,该研究揭示了柑橘根际微生物的多样性、核心微生物类群以及不同产区根际微生物组成的差异。研究发现,在门水平分类上,柑橘根际优势微生物主要集中在变形菌、放线菌、酸杆菌和拟杆菌四大门。在属水平分类上,柑橘根际的核心微生物类群主要包括11个属,分别是假单胞菌属、土壤杆菌属、贪铜菌属、慢生根瘤菌属、根瘤菌属、中生根瘤菌属、伯克氏菌属、纤维弧菌属、鞘氨醇单胞菌属、贪噬菌属以及伴伯克氏菌属[9]。

  宋晓军从烟台栖霞苹果园区选取种植了5、10、15、20年的苹果树根际土壤进行取样,进行土壤总DNA提取,通过高通量测序结果分析,得到了43门712属微生物。其中根际优势微生物主要集中在变形菌门、浮霉菌门、放线菌门和酸杆菌门四大门,这四大门的相对丰度约占62.33%。从树龄角度来看,变形菌门在20年树龄的根际土样中相对丰度最高,酸杆菌门在15年树龄的根际土样中相对丰度最高,浮霉菌门和放线菌门在5年树龄的根际土样中相对丰度较高[10]。

  2 、根际微生物与果树的互作

  根际微生物对果树的生长发育至关重要,其与果树根系相互作用、相互促进。一方面,根际微生物依赖果树根系的分泌物以及根系的脱落细胞等为其生长提供营养;另一方面,根际微生物聚集在果树根系周围,分解有机质,分泌维生素、酶、生长激素等,促进果树生长。

  2.1 、根际微生物对果树的影响

  在果树根际微生物中,既有通过营养竞争、拮抗及诱导植株抗性来抑制土壤病原菌、促进果树生长的根际有益微生物,也有可以抑制果树生长甚至导致果树死亡的根际有害微生物。

  2.1.1 、根际有益微生物对果树生长的影响

  根际微生物种类众多,功能多样,如细菌中的固氨螺菌属、根瘤菌属、芽孢杆菌属、假单胞菌属、沙雷氏菌属、寡养单胞菌属、链霉菌属和真菌中的白粉寄生孢属、盾壳霉属和木霉菌属等[11,12,13]已被证实对植物生长有显着的促进作用,即根际有益微生物。根际有益微生物通常通过多种机制促进植物生长并保护植物免受病原体的侵害。

  在柑橘栽培上,由于柑橘根毛短而稀少,柑橘类果树主要依靠与丛枝菌根真菌(AMF)的共生来促进土壤中矿质养分的吸收[14]。前人研究表明,丛枝菌根既可以促进果树生长发育[15],又能提高果树的抗逆性[16,17]。吴强盛等发现,接种AMF不仅能促进柑橘根系淀粉、蔗糖等碳水化合物的积累,还能提高柑橘叶片的蒸腾速率、光合速率和气孔导度,改善土壤的孔隙和持水性能,提高柑橘类果树的抗旱性[18]。舒波研究发现,接种AMF可以促进枳对磷的吸收,从而解决生长中低磷胁迫的问题[19]。王明元等研究发现,在高p H值条件下,接种AMF可有效缓解枳实生苗的缺铁症状[20]。据报道,根际微生物群落会产生吲哚乙酸、赤霉素和细胞分裂素等多种促进果树生长发育的植物激素。浙江工业大学钱海丰团队研究发现,根际微生物可以通过调节土壤氮循环和分泌植物激素来调控植物开花的时间[21]。这个结果意味着人们可以通过改变根际微生物的组成和数量来调控植物的营养生长与生殖生长。而另一些研究表明,根际中的芽孢杆菌属、链霉菌属和假单胞菌属等微生物会产生抗生素和抗真菌化合物,进而抑制病原菌的生长,这些根际微生物也被认为是潜在的生物防治剂[22]。总的来说,根际有益微生物通常通过分泌激素类物质、促进果树养分吸收、增强果树抗性、抑制病原菌生长等方式促进果树生长[23]。

  2.1.2 、根际有害微生物对果树生长的影响

  Agrios[24]认为,根际有害微生物主要包括病原真菌、病毒和细菌,但对果树影响较大的要数病原真菌。由于无芽孢型细菌不能长期在土壤中生存,且大多数细菌需要通过伤口才能侵染植株,因此只有少数细菌能对果树生长造成危害。与细菌类似,病毒在侵染果树根系的时候必须借助外部因素,比如伤口或者真菌、线虫等媒介[24]。Horbach等[25]认为病原真菌主要通过产生影响植物细胞活性的低分子化合物来侵害植物细胞。而在生产中常见的连作障碍,即同一果树或近缘果树连续种植以后,出现长势变差、病虫害严重、产量及品质降低的现象,其主要原因就在于单一根系分泌物介导的根际微生物多样性降低、病原微生物富集。

  2.2、 果树对根际微生物的影响

  果树根系分泌物中含有各种氨基酸、有机酸、碳水化合物等,这些都是根际微生物赖以生存的营养物质。果树根系分泌物被认为是建立根际宿主特异性微生物群落的关键驱动因素。果树根系分泌物的组成和数量会受到果树种类、品系、树龄及生理状况等因素的影响[26],进而影响根际微生物的类群和数量。一般在初花期根系分泌物较多,根际微生物数量最大,到生长后期,真菌及放线菌的数量通常会增多。

  果树的健康状况同样会影响根系分泌物的组成和数量,进而影响根际微生物的组成、数量与基因功能的表达。Wu等[27]通过比较印度酸橘幼苗须根分泌的淀粉和蔗糖含量,发现感染柑橘黄龙病的幼苗其分泌量明显低于健康幼苗。Etxeberria等[28]利用扫描电镜和透射电镜观察发现,感染柑橘黄龙病的甜橙根系中存在着淀粉缺失、韧皮部细胞萎缩和纤维消失等现象。另有研究表明,由于感染黄龙病的柑橘树,其根系部位的淀粉、蔗糖等碳水化合物代谢异常,根系活力明显降低,对一些腐生菌如柑橘疫霉菌等的侵染更加敏感,进而导致根系腐烂,根系分泌物大量减少[29]。Trivedi等[30]通过构建柑橘根际微生物的16S r DNA基因克隆文库,发现一些能够促进果树生长的微生物比如芽孢杆菌属、伯克氏菌属、柄杆菌属、溶杆菌属等,仅存在于健康柑橘的根际中,在感染黄龙病的柑橘根际中没有检测到这类有益微生物的存在。同时,利用定量PCR技术进一步分析发现,黄龙病病原菌的侵染不仅会导致柑橘根际微生物种群的改变,还会导致其相对丰度的变化。Trivedi等[31]利用Geo Chip功能基因芯片对柑橘根际微生物功能基因多样性进行分析,发现感染黄龙病的柑橘根际微生物中,与固氮、氮循环等相关的功能基因的丰度明显低于健康果树。

  3 、果树根际微生物群落的调控或重塑

  在了解根际微生物与果树互作的关系后,如何调控或重塑果树根际微生物群落以提高果树持续生产力是一个值得深入研究的问题。我们侧重介绍目前已被用于调控或重塑果树根际微生物的3种方法,分别是微生物介导调控、植物介导调控以及农技管理调控。

  3.1、 微生物介导策略

  目前,调控果树根际微生物最佳和最有效的方法是通过生物接种。市场上许多由PGPR和AM真菌等有益微生物复合而成的产品就是以期通过生物接种(施肥)的方式调控或重塑根际微生物[32,33,34]。然而,施用效果却良莠不齐。一个好的产品,所使用的微生物菌种至少应满足3个条件:对果树生长有益、容易在根际定殖、持久性好。目前生产上使用的菌种大多数是在实验室的传统培养条件下分离得到的,其益生性能及效果通常也是在实验室或者温室条件下研究的,但是在实际的应用中,由于它们不能在自然农业土壤中定殖或持续地繁殖,无法抵达果树根系,与果树形成共生关系,无论接种量多高,施用后的效果都是微乎其微。而那些真正分离自根际的微生物菌种,其生存更多地依赖根系分泌物,只要有植物根系,这些益生菌就能生存下来,并持续发挥促生、防病、增产等诸多功效。因此,利用微生物介导调控或重塑果树根际微生物时,一方面可以选择分离自根际的菌种,另一方面可以考虑通过操纵抗性植物的健康微生物群来改造易感植物的根际微生物群。在实际的操作中,我们可以将一些之前从根际筛选到的具有促生或者抗病作用的有益微生物,按一定比例与健康土壤菌悬液混合后接种到特定果树,以构建果树根际健康群落,提高果树抗病能力。

  3.2、 植物介导策略

  在植物介导策略中,通常采用基因工程和植物育种这2种不同的方法来操纵感兴趣的植物性状。该策略主要是通过植物育种或基因改造来改变根系分泌物的数量和质量,进而改变根际微生物群落的组成。王静等[35]研究了不同樱桃砧木(‘大青叶’‘山樱’‘考特’和‘马哈利’)根际微生物数量的差异,结果表明,‘大青叶’根际土壤中固氮细菌、氨化细菌、硝化细菌及反硝化细菌等氮素生理群数量最高,‘山樱’根际土壤中有机磷细菌数量最高,‘马哈利’根际土壤中无机磷细菌数量最高,‘考特’根际土壤中纤维素分解菌数量最高。通过比较发现,不同樱桃砧木基因型不同,其根系分泌物的组成也不尽相同[36]。根系分泌物通过改变根际的p H值、Eh值和根际营养等环境因素,进而直接或间接影响根际土壤微生物的组成与数量[37]。用基因工程代替传统植物育种是一个很有前途的方法,但是很耗时。Gevaudant等[38]通过基因工程的手段来调控根际酸碱度,进而改变根际微生物的组成。

  3.3、 农技管理策略

  不同的农技管理方式,会引起土壤的水分和营养条件等要素发生变化,进而影响根际土壤微生物的数量、种类和活性[39]。蔡昆争等[40]研究结果表明,覆膜能增加土壤微生物(真菌、细菌和放线菌等)的总量。覆膜可以创造一个水分、空气、温度、湿度等都比较适合微生物生长的环境,进而改变其数量和种类[41]。徐华勤等[42]试验结果表明,间作的土壤微生物种类和数量都显着高于单作;覃婵婵研究表明,与清耕相比,荔枝与红薯或大豆间作、覆膜处理均能显着提高土壤根际微生物多样性[43]。轮作与间作类似,也可以对作物根际土壤微生物环境和果树生长产生积极影响[44]。大量研究表明,间作/套种的方法确实能影响根际土壤微生物群落结构及果树抗病能力,其根本在于间作/套种这种联合种植模式能将抗逆作物的根际微生物有效输入到目标作物根际,进而实现根际微生物群落的重塑及植株抗性的提高。因此,在实际运用中,可以选择一些抗病品种与目标作物间作/套种。野生作物由于其生存条件恶劣,抗逆性相对较强,其根际往往蕴含丰富的抗病微生物资源,因此可以将野生作物与目标作物搭配种植,以提高目标作物的抗病能力。

  4、 展望

  当今全球面临的主要挑战是在有限的土地上用较少的肥料和农用化学品投入来提高作物产量。通过特定微生物或有益微生物的外源接种,有可能改变微生物群落的结构,以提高植物的抗病性和对特定营养物质的吸收。在这方面,所谓的“微生物驱动的种植系统”的发展可能导致农业的下一次革命,从而产生一个更可持续的植物生产系统。目前,多项研究揭开了根际有益微生物群提高果树健康和性能的机制。然而这些研究大多建立在可培养微生物多样性的基础上,对不可培养微生物的研究很少,然而,地球上只有1%~5%的微生物是可培养的,其余95%~99%的微生物是不可培养的[45],迫切需要挖掘这些看不见的微生物多样性的潜力。未来的研究将利用宏基因组测序、微生物菌群培养和人工重组等技术,从微生物群落水平深入研究根际微生物在果树营养高效、抗病和抗逆等重要生理过程中的作用,为将来果树根际微生物组的重组和构建、提高水果产量提供理论和现实依据。

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