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编译：小白同学，编辑：小菌菌、江舜尧。 原创微文，欢迎转发转载。 分子生物学技术的发展推动了植物微生物组的研究，使一个多世纪前提出的观点能够得到检验，并产生许多新的假设。通过研究不同微生物类群和基因在各类植被的分布，揭示了各种生态和进化过程在塑造植物微生物组方面的重要作用。特别是植物生境的选择作用显著影响微生物群落的多样性和组成，且微生物适应性与植物免疫系统和资源利用有关。利用还原论方法证明，植物免疫和植物微生物类群之间的相互作用是双向的，植物、微生物和环境形成了复杂的生物化学交流机制，共同营造了植物微生物群落。下一阶段植物微生物组学的研究需要整合生态学理论和还原论方法，以进一步理解自然和人为环境中微生物的组成和功能。 论文ID 原名：The Plant Microbiome: From Ecology to Reductionism and Beyond 译名：植物微生物组：从生态学到还原论 期刊：Annual Review of Microbiology IF：12.138 发表时间：2020.06 通信作者：Connor R. Fitzpatrick 通信作者单位：北卡罗来纳大学教堂山分校生物系 前言 结果 1 生态和进化过程对植物微生物组的塑造 不依赖培养方法的高通量植物微生物组学研究，在初期主要对各植被类型中微生物类群和基因的组成及多样性进行探索。这些研究基于对典型环境样本的调查数据，证实了一个世纪以来的假设，即不同植物拥有其独特的微生物群落。植物微生物组是逐步形成的，环境中某些特定微生物先被富集到植物表面，然后随着进一步选择，有些物种在植物器官内部定植。不同植被生境中微生物群落差异很大，这也许是微生物对其植物宿主特定环境的适应造成的。迄今为止多数研究都符合这一范式，且揭示了生态和进化过程可以作用于植物微生物组(图1)。 图1 塑造植物微生物群落的生态和进化过程。 影响植物微生物组成和多样性的生态因子：植物和环境因素对特定微生物类群的选择在植物菌群的形成中起着重要作用；然而，其它生态过程也可以影响群落组成和多样性(图1)。新物种在群落中的相对丰度取决于选择、扩散和生态漂变。以往研究主要集中在选择作用如何影响植物微生物组成和多样性，但近期工作也强调了其他过程潜在的重要性。 选择作用：植物并非均质的微生物栖息地，叶子、根或花等不同部位通常都孕育着独特的微生物类群。这是由于不同结构生境的理化性质等环境条件有所不同，例如根和叶分别暴露于土壤和空气，会选择不同的微生物群落。除了植物部位的差异，生物和非生物环境的变化会对植物共生菌群产生直接或间接影响。气候驱动的地理环境中土壤微生物的变化可以改变植物微生物群落组成。另外，生物或非生物环境变化，都可以通过改变植物应激间接地作用于植物微生物组。微生物之间的相互作用也会对群落组成产生巨大影响，其中某微生物类群甚至单个物种都能通过拮抗和协作来改变植物菌群。大量研究表明，宿主植物内部或植物种间变化会影响植物菌群组成和多样性。然而，宿主植物种间变化对微生物组形成的影响程度似乎随环境条件和植物部位不同而存在差异。 生态漂变：生长和死亡的随机变化在某些情况下可能驱动群落组成发生改变，特别是当群落物种很少、总体丰度较低且选择性较弱时。与附生群落相比，植物器官内生群落由于总体丰度较低（尤其在植物发育早期），更容易受生态漂变的影响。群落内特定物种相对丰度的随机变化与选择作用相结合时，可能对群落组成产生进一步影响，如改变群落成员间相互作用强度等。例如，在土壤微生物群落中随机选择6个成员增加其相对丰度，会随着这些成员与其亲缘关系相近物种竞争排斥作用而导致群落组成结构发生变化。植物微生物组构成和多样性以及特定物种丰度中难以解释的显著差异，至少部分是由于漂变作用造成的。为充分理解和量化生态漂变在造成不同植物微生物群落间组成差异方面的作用，需要结合统计学和实验方法进行研究。 扩散作用：漂变和选择作用改变了群落中现有成员的数量，而扩散作用是新物种在群落中产生的方式。定植在植物上的微生物来自周围环境(如土壤、附近动植物以及气流等）的水平传播，另一种方式是通过种子的垂直传播。定殖之后，微生物很可能在植物之间传播。尽管微生物无处不在，其扩散过程却尤其难以量化。通过将两个群落的组成相似性与它们之间的物理距离进行关联分析，可以推断出扩散作用的重要性，即便实际距离也可能被其它环境因素所混淆。若距离和相似度之间呈负相关(距离衰减)，这表明或许受微生物传播距离的限制导致了群落间成分差异。扩散作用的距离衰减对植物微生物区系的影响程度因空间尺度、植物部位和微生物物种的差别而有所不同。通过实验发现，减少花蜜微生物群落之间的传播增加了部分群落间组成的相似性；细菌在土壤中的传播受限，可能直接影响其在植物根系的定植作用。微生物扩散的先后次序或可促进或抑制外来菌株在植物菌群中定殖，且这种效应受资源可得性和pH值等环境条件的影响。 进化作用：可以造成特定种群增长和物种间相互作用的改变，并最终产生新的物种，这些都会影响群落的组成。进化过程伴随着植物内生菌及群落结构的改变，进化后得到的抗性减少了病原菌在宿主植物上的增殖，反过来也改变了植物微生物菌群的组成。事实上，不断进化的植物微生物菌群内物种相互作用可能在物种组成和多样性方面发挥着更大的作用。进化和扩散作用的交互也可对植物微生物群落产生重要影响：在一个微生物种群中产生的有利变异可能通过扩散机制传播到其他菌群，无论是在植物宿主内部还是在植物宿主之间，都有可能改变微生物之间的相互作用，并最终改变群落组成。尽管上述为自然选择条件下的进化，微生物种群内发生的遗传漂变也可能导致进化改变，并对生态动力学产生影响。 总之，尽管多种形式的选择作用塑造了植物微生物组，近期研究发现，生态漂变、进化和扩散作用共同驱动了植物微生物群落组成和多样性的变化。而由取样方法等人为界定的群落边界，如在特定时间点取单个根或整个根系，忽视了根系组织和特定根样品间的差异，两者可能有不同的微生物群落，并随着时间推移而发生变化。采样时间点的增多和方法的进步使得微观尺度上对微生物区系的原位分析成为可能，这有助于进一步理解植物微生物区系的构建机制及其生态过程。为增进对植物微生物组的理解并更好地应用植物益生菌，有必要全面认识相关生态过程。 植物微生物群落的适应性：选择作用对植物微生物组成和多样性影响很大，微生物理应适应于其植物栖息地。通过化石留存和与现有植物物种的比较发现，植物-微生物的相互作用在整个陆生植物进化过程中扮演了重要角色。常见共生菌，如丛枝菌根真菌和固氮细菌等，一直以来与植物共同进化，而对其他微生物群落适应性的研究只是最近才开始的。通过比较基因组学研究和转座子变异实验证明了微生物对植物的适应性：比较基因组学分析了各种植物相关细菌广泛存在的适应性特征，研究了假单胞菌由共生转为寄生病原微生物的相关基因；通过将转座子随机插入受体基因组，识别了细菌躲避植物免疫并定殖的功能基因。 此外，其它环境因素也对植物微生物组具有选择作用，不同植物生长于多种地理环境中，所处地区温度、降水及其它生物/非生物条件都存在差异，且植物宿主本身的特征也不一样。有证据指出特定地区和植物宿主中会存在一群丰度较高的优势物种。生物普遍存在区域性适应能力，可以推测植物微生物组也能够适应周围微生物群落、植物宿主和环境条件。目前的分析方法无法区分各细菌种群，传统分类单元隐含着潜在的基因和功能多样性，而结合比较基因组学和实验方法则能够解释植物微生物组的适应性。比较基因组学可以鉴别近期植物相关微生物种群的变异，平行样本间的一致性基因变异或可说明其局部适应性，通过实验方法可以追踪其在不同环境中的进化过程，结合植物宿主、环境因子及微生物群落分析或可找到植物微生物组中适应性相关的潜在遗传靶标。微生物适应植物宿主的能力似乎与利用植物资源和植物免疫系统有关，这些发现或有助于还原论方法进一步解释植物-微生物互作的相关机制。 2 植物微生物群落形成机制及其对植物的影响 植物微生物组和周边微生物群落间的显著差异暗含了选择作用如何使微生物进入植物组织的相关机制。尽管宿主植物不直接参与微生物组的形成，但微生物会响应植物代谢和环境条件的变化（养分、干旱胁迫及病原菌等）。研究表明植物微生物组助力植物应对各种生物/非生物的外界胁迫。因此有必要运用新的技术方法厘清植物微生物组丰度分布的形成机制。后续将回顾目前已知的植物微生物组形成机制，重点关注植物免疫系统在维系微生物菌群稳态方面的作用，以及植物与微生物之间如何通过信号传递进行交流。 在微生物群落的背景下重新审视植物的免疫系统：植物免疫系统有两个层级，分别监测异常内源分子和外来异物。第一级免疫基于质膜受体，它能感知细胞外配体（鞭毛蛋白、肽聚糖和甲壳素等），触发活性氧释放及氧化磷酸化作用，启动转录重编程并合成抗菌蛋白和次生代谢物。然而病原菌会产生效应分子，作用于植物细胞以抑制这层免疫反应。反过来，植物进化出了第二层级的细胞内受体，它们能感知效应分子的存在，并触发更强的免疫反应。这个模型不仅描述了植物和病原体之间的相互作用，也可以解释植物免疫系统是如何影响微生物组成结构的。例如在强化免疫反应的拟南芥突变株中，真菌Piriformosporaindica的定殖有所减少，且免疫缺陷的拟南芥突变株中，叶子里的微生物生长情况不良，野生型植株接种这些微生物后也出现发育不良的现象，这些表明植物免疫系统不仅具有抑制病原菌的功能，也有助于构建健康的植物微生物组。 微生物如何绕过植物免疫而定殖：所有植物相关微生物，不论致病与否，都要与植物免疫系统打交道。对608个植物相关细菌的检测结果显示，97%的细菌具有潜在的免疫原性。那么非致病性微生物是如何进入植物宿主的呢？部分原因在于，植物免疫系统结合不同分子标记物的分析来区分病原菌和非病原微生物。此外，植物能够在不扰乱土著微生物群落的情况下清除病原菌。然而，研究发现非致病菌(多为益生菌)植物定殖过程中也可以通过改变行为方式或周围环境（分泌葡萄糖酸降低胞外pH、调控生物膜形成等）来避开植物免疫系统的监测。共生和致病性真菌，如双色虱子和米丽蚜，都可以针对宿主茉莉酸信号通路产生效应分子来抑制植物宿主的防御反应。因此，与病原体相似，共生和益生菌皆可经由各种独立进化的机制对付植物的免疫反应，这些机制还有待进一步研究。将此扩展到群落环境中，植物免疫抑制不仅作用于单个生物体，也影响着菌群。那么受空间距离限制的微生物间互作将怎样影响植物免疫抑制及其定殖呢？ 植物菌群强化植物免疫：植物免疫与植物菌群之间的作用是相互的（图2），微生物群落可以通过诱导抗性或激发活性, 直接或间接地增加植物抵抗病原微生物的免疫力。此外，植物微生物菌群通过成员之间的直接相互作用也能抗击植物病原菌，这与植物自身免疫系统无关。细菌对真菌病原体的抑制普遍存在于植物微生物群落中。叶球菌分泌抗菌物质对抑制病原菌发挥积极作用，但营养丰富时，叶球菌群便不再抵御病原菌，表明微生物介导的保护作用除了依赖于抗菌化合物外，还取决于竞争动力学。最后，植物微生物组中的病毒可能也在植物防御体系中发挥作用。最近的一项研究表明，用噬菌体治疗番茄青枯病，要么减少病原菌密度，要么将生长缓慢的抗性突变种选择下来，两者都能减轻病症。这说明植物或许能主动富集某些微生物或改变其免疫戒备以防御病原菌，该假设还有待进一步验证。 图2 植物中微生物菌群形成机制及其对植物发育的影响。 植物和微生物之间的交流：植物与微生物群落间复杂的相互作用网络很大程度上是由植物和微生物之间以及微生物与微生物之间的化学交流所维系的。下面重点介绍在植物发育和免疫方面，这些相互作用的最新研究进展。 免疫：近期有研究揭示了单个植物免疫分子在微生物组结构中的调控作用，水杨酸和乙烯对耐受微生物的选择改变了拟南芥和番茄的根系菌群组成。被称为植物抗毒素的大量次生代谢物被植物用来对抗入侵的微生物，它们似乎也在影响着植物微生物组。例如，色氨酸衍生物是许多十字花科植物经免疫激活后产生的，能抑制真菌和特定细菌病原体，从而改变根系微生物菌群。其他具有防御作用的植物代谢物包括三萜、独角金内酯和苯并恶嗪类等，也影响着微生物组成。 发育：除免疫外，植物和微生物还通过分泌化学物质进行交流。植物发育受植物激素水平和环境因素等多重作用所调控，微生物可以通过产生或降解激素来破坏植物发育进程，进而定殖。目前多数研究工作集中在生长素吲哚乙酸(IAA)及其在植物-微生物互作中的作用，吲哚衍生物可以调节枯草芽孢杆菌生物膜的形成及其定殖。多种植物相关细菌可以分泌IAA生物合成途径中的相关化合物，同时有些细菌可以将IAA代谢利用，将其降解为邻苯二酚。根系发育是通过广泛栖息其中的变种螺细菌降解生长素恢复生长抑制来维持的。不同的植物物种具有产生不同吲哚化合物的微生物，植物宿主和整合到其生长发育进程中的微生物存在一定特异性。除了生长素之外，各种致病和非致病共生微生物也可以直接或间接产生乙烯促进果实成熟，或降解乙烯促进根系生长。 植物和其中微生物群落可以通过激素及其他分子方式进行交流，植物大量根系分泌物影响微生物群落形成，进而影响植物健康。在不同植物发育阶段，偏好氨基酸、糖类、有机酸等不同根系分泌物的特定微生物依次发挥作用。研究人员已经初步论述了微生物化学感受器在接受植物宿主化学信号方面的作用。稳定同位素探针技术有望揭示植物微生物群落的碳素等物质的代谢流。此外，高分辨质谱法也已被用于测定共生和病原微生物同在时拟南芥的代谢产物。 环境条件对植物-微生物间作用机制的影响：植物和微生物必须应对温度、光照、湿度、土壤和水分等环境变化，这些变化常致植物微生物组成和多样性改变。环境可以直接或通过植物间接作用于微生物菌群，比如在拟南芥中，缺磷使植物根际微生物受磷酸盐胁迫而发生适应性改变，这也受植物免疫系统作用于水杨酸代谢通路的转录调控影响。植物在（铁、磷酸盐等）各种环境胁迫下产生的次生代谢产物，也可以选择性富集或抑制特定微生物从而改变群落组成。植物也可以通过与微生物共享信号分子响应胁迫，如耐盐胁迫等。干旱胁迫下细菌对代谢产物甘油-3-磷酸的吸收与高粱根系中放线菌的富集密切相关。有趣的是，环境改变免疫抑制作用引起的植物-微生物互作的改变具有记忆效应，在植物发育过程中，对生物/非生物环境变化的响应有序地改变着植物微生物组成。食草昆虫可以通过诱导植物防御反应来扰乱叶片微生物群落。这些说明无论是非生物还是生物环境的变化，都可以通过植物间接引起植物微生物组成的改变（图2)。 上述研究从分子生物学角度对其形成和调控机制进行分析解释，有助于对植物菌群组成和功能的深入理解。使用已知基因组序列的菌株构建微生物群落、植物宿主和微生物群落同时测序、以及微流控和显微镜技术的发展对我们研究不同生境中植物微生物组成和多样性起到关键作用。然而究其根本机制，为何如此发生和调控？从进化的角度来看，植物免疫系统抑制病菌生长，其适应性是因为它可以改变其他植物微生物吗？尚未可知。自然选择通过宿主植物作用于植物微生物，这可能是其通过植物免疫、激素、代谢分泌物维系植物健康的一种方式。 3 结合生态学和还原论方法进一步认识植物微生物组 生态学和还原论法都助力于植物微生物组的研究，然而单独使用某一方法发挥的作用比较有限。仅用扩增子或宏基因组测序难以进行机制研究，而还原论方法无法探讨重要的生态关系。考虑到人工、成本和时间，单个课题组难以整合多种研究方法，相反，跨课题组的合作势在必行，这对于植物微生物组变化机制的深入探索大有裨益。就拿土传病害的研究来说：当土壤微生物抑制植物拮抗作用时细菌或真菌病原菌便大行其道，而特定微生物菌群对某些植物病原菌也有抑制作用。例如由真菌引起的全球广泛分布的小麦全蚀病，通过生态学特征发现土壤和根际假单胞菌产生抗生素2,4-二乙酰间苯三酚可对其产生有效抑制作用。相似地，始于对植物微生物间效应的生态学分析，随之进行还原论研究后发现，甜菜根际真菌病原菌丝核菌被根际微生物群落有效抑制：研究者首先发现了生物合成基因簇（含次生代谢物合成等相关基因）在植物根系基因组的富集，这与一些能抑制该真菌浸染的细菌有关，将细菌菌株突变后从遗传学上证实了其植物保护作用。尽管该机制仍不完全明确，但这种研究思路是有效的： (a)首先明确其生态特征以确立生物学重要性； (b)随后进行针对性还原论研究以探讨相关机制； (c)最后通过多体系比较评估其普适性。 根据这个思路，不同环境、不同植株、不同部位下，不同植物微生物组的关键作用机制和作用模式可以得到进一步阐明（图3），下一步将需要评估新机制的普适性并将其和植物健康进行关联，全面理解植物微生物组的生态、进化和功能。 图3 植物微生物组研究的三步走计划。
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