 题目：Breeding toward improved ecological plant-microbiome interactions 发表杂志：Trends in Plant Science 发表日期：2022年7月6日 影响因子：22.01 第一作者：Luca Nerva 通讯作者：Raffaella Balestrini 第一单位：Research Centre for Viticulture and Enology, Council for Agricultural Research and Economics (CREA-VE), Italy; National Research Council of Italy Institute for Sustainable Plant Protection (CNR-IPSP). DOI: https:///10.1016/j.tplants.2022.06.004 摘要 育种计划加速的植物驯化过程，已经可以选择更高产的基因型和更适合应对不断变化的气候的作物品系。尽管取得了这些进步，但是植物育种对于植物—微生物组互作的生态学影响尚未被充分考虑。这包括对于有益的植物—微生物互作的潜在利用，来开发出表现更好、对任何环境条件适应性更强的作物。在这里，我们讨论了在农业系统中利用定制的合成微生物群落来开发更可持续的育种策略，这是基于植物和它们有益的相关微生物之间的多重相互作用。 1 驯化综合症与植物微生物组 植物驯化是一个选择过程的结果，导致了植物对人类耕作和利用的适应性增强。这一过程是基于对植物野生型的选择和改良实施育种计划，其目的是筛选出对于人类需求有用的植物特性。增加作物产量一直是人们驯化过程的最重要的目标之一，给人类提供持续不断的食物供给。然而植物并不能拥有无尽的能量，因此，有限碳源的分配影响了植物生长—防御的协调。这种现象是基于有限碳源的概念，光合作用产生的有限的碳源被分配到植物的生长和防御过程中，使得植物在不同环境的适应策略和适应成本最大化。如果植物将主要精力集中在生长上，它们应对各种胁迫如病原体感染或恶劣的环境条件的能力就会降低。此外，与野生亲本相比，驯化植物通过施肥、灌溉和其他保护措施得到更多的培育，因此它们与周围环境的相互作用或适应能力较差。 植物与它们周围支持它们处理生物和非生物胁迫的数千种微生物相互作用的能力是需要被加强的最重要的特征之一。几项研究已经表明，植物相关微生物对于改善植物健康和提高农业系统的可持续性至关重要。现代农业正在进入第二次绿色革命，有益土壤微生物的开发发挥着重要作用，目前有几种基于微生物的产品进入市场。然而，有证据表明驯化过程已经深刻改变了植物宿主和相关微生物之间的相互作用。最近的研究发现商业基因型的微生物组与其对应野生型的微生物组之间存在显着差异。研究表明，小麦 (Triticum aestivum)、面包果 (Artocarpus altilis) 和玉米（Zea mays）的野生祖先和原始地方品种比选定的栽培品种更能从菌根共生中受益，这表明由于驯化而改变的微生物组对植物没有好处。对其他植物物种的研究，包括拟南芥 (Arabidopsis thaliana) 、甜菜 (Beta vulgaris) 、大麦 (Hordeum vulgare) 和莴苣 (Lactuca sativa)，也表明以人为中心的育种导致根相关微生物组的组成发生变化。如何缓解这种负面倾向以及如何恢复植物—微生物组的平衡仍然是悬而未决的问题。尽管本土作物与相关微生物群的紧密相互作用增强了作物应对各种环境压力的能力和灵活性，但分离目标功能的微生物能力低限制着对其潜力的挖掘。我们还需要了解哪些植物性状可能与有益微生物的相互作用有关，以及我们如何识别它们并在未来的育种计划中选择它们。 2 传统和新型植物育种技术被忽视的缺点 以人类为中心的育种和植物—微生物组相互作用的交叉点 对基因组植物性状的不断选择，以及维持所选基因型所需的大量投入，对植物和有益微生物之间的相互作用产生了负面影响。事实上，育种过程降低了农业系统中与植物相关的微生物的多样性和功能，阻碍了使野生物种更能抵御生物和非生物胁迫的必要的相互作用（图1）。这种影响很可能是由于与野生近缘种相比，所选作物品种可能已经失去了召集宿主特异性微生物群所需的一些遗传特性。结果表明，长期施氮肥导致豆科植物召集到越来越少的功能的根际细菌，对宿主的益处也越来越少。同样，Kiers 等人研究表明，与较新的大豆品种相比，较老的大豆品种在存在根瘤菌菌株混合物的情况下，具有更强的能力充分发挥共生潜力，具有不同的共生效果。此外，Chaluvadi和Bennetzen已经证明，野生型和驯化的狗尾草相关的地下微生物组存在物种特异性差异，强调了作物驯化如何在选择根际原核生物方面发挥重要作用。还有证据表明，植物育种对根际真菌群落组装的影响似乎严重受到宿主基因型的影响。最近的研究表明，根系分泌物对于植物聚集功能性微生物组至关重要，育种方案造成的植物遗传学变化导致不同的根分泌物组成，破坏微生物组的组装和功能并在共生关系中发挥作用。Martín-Robles等人指出，与野生祖先相比，在先前培育驯化植物的土壤里生长的植物根部中，丛枝菌根真菌的定植率较低，而线虫的感染率较高。相反，根际微生物群落诱导番茄根系分泌物发生系统性变化，表明存在长距离信号途径。尽管在理解根系分泌物成分方面有所改进，但考虑到通常使用的是均质样品，到目前为止关于根系分泌物空间分布和调节的信息很少。Döll等人解剖了三个部分中的根，分析了其组织特异性代谢谱，将这些谱与参与生物合成途径的蛋白质丰度相关联，在空间上分析并展示了不同根组织和芦笋根分泌物中存在的大量差异的化合物。挥发性有机化合物 (VOCs) 在与根际微生物的联系和相互作用中也具有相关的作用，它们在农业中是具有应用潜力的信号分子。排放到地下的挥发性有机化合物可以刺激远处土壤细菌的迁移，将它们吸引到根部。此外，由于真菌土传病原体感染等胁迫条件，根系挥发性有机化合物混合物发生变化，导致从根际外部募集特定的有益细菌，这些细菌可能有助于植物应对胁迫条件。然而，直到现在育种者还很少考虑到根际和与根系相关微生物群除了支持植物生长外，还提供了更高水平的遗传变异性。未来的育种方案应在处理根部特征，包括与微生物募集相关的特征，并应实行根表型分析的策略，同时考虑到与根际微生物群的相互作用。对根系和相关微生物群之间关系的深入研究与培育高效的根系，以及随之而来的对于气候变化的基因型的选择尤其相关。  图1 比较野生及驯化的植物种。A 野生种表现出了更好的对环境胁迫（生物和非生物）的适应能力、生长和防御之间的权衡、和丰富的相关微生物组，但是低产；B 被驯化的植物表现产量提高但对抗环境胁迫及招募微生物的能力下降。为应对增加的易感性，人类的田间管理如灌溉，施肥和利用杀虫剂是必须的。 基于表现最佳的植物基因型的开发和选择的育种关键点 尽管育种方案旨在生产能够抵御疾病和环境胁迫的品种，但许多性状受多个基因（即多基因抗性）调控，因此很难在一次杂交中传递给后代。在这种情况下，传统育种计划利用的单基因抗性在移动单基因性状方面非常有效，但随着时间的推移很容易被病原体抑制。关于木本植物，育种方案遇到了进一步的限制，例如连锁阻力、回交所需时间漫长、费力以及高杂合度，阻碍了弹性基因型的发展并提高了成本。获得的弹性/抗性基因型通常与商业角度看来可能有害的修饰相关联，例如改变的表型和生化特征（与质地、味道和感官特征相关），因此通常不太被消费者接受。 近来随着生物技术方法在育种过程中的应用促进了新植物育种技术 (NPBT) 的发展，能够在不改变其他区域的情况下修饰特定的目标 DNA 序列，如果使用无 DNA 或无标记方法，则不需要长回交阶段。这些技术有希望克服传统育种在时间和成本方面的限制。尽管新植物育种技术衍生产品在几个国家被接受，但仍然存在许多限制，尤其是在欧洲，且迄今为止没有充分考虑与聚集有益微生物群的能力有关的特征。事实上，根与许多微生物共享它们的栖息地，例如细菌和真菌，它们可以对植物生产力和对环境胁迫的耐受性/恢复力发挥积极作用。利用这些微生物来改善植物性状可能会克服与传统育种和 新植物育种技术相关的限制，从而减少对最终产品的销售特性的影响并保留原始基因型，因此不需要对产品（例如那些用于转基因生物的）进行特定的安全评估，并导致比育种计划更便宜、更耗时的应用，尤其是对于木本植物（图2）。 全面了解植物选择微生物群落的机制将为未来改善农业提供有用的信息。新方法的应用，例如 (i) 特定微生物的选择和表征用来恢复商业基因型中的生长—防御平衡，(ii) 互补组学工具的开发， (iii) 合成微生物群落(SynComs)的应用似乎成为实现这一目标的好方法。  图2 植物育种的经典方法及新技术以及木本植物的微生物辅助育种方法概述。(A）经典育种依赖于将性状（例如，受生物或非生物胁迫后的复原能力）从野生性相容物种转移到高经济重要性驯化物种的可能性。这种方法的主要限制是幼年阶段的存在，这增加了用于回交和不良性状的传递的时间（连锁阻力），尤其对木本植物；(B) 新的植物育种技术可以缩短传统育种所需的时间，但它们仍然存在局限性，例如需要特定的组织和/或细胞类型（例如胚性愈伤组织）以及与转基因生物相关的一些局限性法规。(C) 微生物育种方法，可以克服经典育种技术的局限，保留原始基因型，减少合成微生物群落 (SynCom) 的开发时间和成本。 微生物组介导的植物资源分配 将资源分配给优先级更高的生物学过程限制其他过程，可能会导致不同过程/反应之间的权衡，这主要是在植物应对有限资源的自然环境中。商业基因型通常以能源资源分配不平衡为特征，而微生物组代表了一种有前途的工具，从而实现能够在外部投入有限的农业系统情况下，恢复这些植物的生长—防御平衡。分析植物微生物组，尝试选择和鉴定出能够改善植物生长或抵御多种压力的微生物基因组，可能是正确的前进方向。最近，在葡萄（Vitis vinifera）中提取出了丛枝菌根真菌（AMF）参与平衡生长—防御的，其中砧木基因型和 AMF 接种在塑造根系相关微生物方面具有相关作用，并刺激生长和防御途径。挑选的质量和/或数量产量的品种通常对生物和非生物胁迫更敏感：使用能够将植物置于所谓的启动状态的微生物，可以使它们恢复自然的权衡平衡，从而获得更具弹性的栽培品种。引发（或驯化）是一种复杂的现象，包括对植物的生物和非生物防御机制进行预处理，使得植物在应对胁迫时的反应更快、更强、更有效。同时使用生物和化学试剂来进一步提高植物性能，这正在引起研究人员的兴趣，目的是最大限度地提高引发状态。此外，为了实现引发状态，几种根际相关微生物可以对作为植物盟友的几种病原体进行直接拮抗[。然而，以高防御性能和低产量为特征的基因型可以通过利用植物促生长 (PGP) 微生物来提高生产力，而不是通过长期的育种计划来修改它们自己的微生物组。此外，由于通过常规育种获得的大多数抗性品种显示出较低的作物质量和产量，利用PGP微生物的可能性可以部分恢复原始特征，避免植物遗传操作。“抗性”品种的特点是对目标病原体具有特定的抗性，但它们没有为其他的生物和非生物胁迫做准备。相比之下，微生物组成中某些类群的富集保证了对几种病原体的广谱耐受性，这些病原体有助于植物表型可塑性和对不断变化的环境的适应性。研究已经表明，特定的微生物群成员可以通过与植物健康相关的双向微生物群-根-芽机制来调节植物免疫过程。功能丰富的微生物组可以刺激植物免疫并调节植物碳源的分配，将它们从生长过程转变为防御过程。对于嫁接植物，砧木基因型的选择对根际微生物的形成和碳资源的分配具有重要作用。事实上，砧木在特定的生长—防御权衡特征和招募不同微生物群落的能力方面彼此不同。砧木与其自身相关微生物、生长和防御特征之间的相互作用的调节机制，可以通过双向根茎机制进行管理，从而使嫁接植物更适合可持续实践。 合成微生物群落增强共生功能体的功能 挖掘植物与其微生物伙伴之间的功能关系，是提高植物适应性和采用以共生功能体为重点的育种计划的下一步。众所周知天然微生物群落及其与宿主植物之间的相互作用非常复杂且多变，目前还未完全了解。这种复杂性源于栖息在环境中的大量微生物与它们中的大多数通常未知的功能，以及彼此之间发生的未表征的相互作用。 合成微生物群落的组装似乎是一种有前途的方法，可以排除混杂的环境影响并降低自然系统的复杂性。合成微生物群落的建立是基于对制定”核心微生物群”所需的根相关微生物组的整体组成的收集知识。Carlström等人展示了群落组装如何受到优先级影响（即到达顺序对群落结构的影响），此外，他们指出特定菌株作为关键物种最有可能影响群落的结构。一旦完成了关键菌株的收集和分子鉴定，就必须测试这些微生物对病原体和 PGP 性状的拮抗活性，并排除它们可能具有相互抑制作用的可能性，表现出感兴趣的性状的微生物可用于建立合成微生物之前在受控环境中进行了测试，随后在自然环境中进行了测试。此外，通过SynCom开发，可以突出计划免疫系统在保护性微生物组组合中的作用。最近的研究表明，植物可以在病原体感染时招募有益细菌，特别是诱导抗病和促进生长的细菌。 尽管由于所选分类群的建立和存活效率低，已证明合成微生物群落在农业中应用的有效性经常不一致，但合成微生物群落的方法似乎对于利用相关微生物、增加农业生态系统恢复力至关重要，并可以最终推动新的育种计划。失败的主要原因与植物相关微生物发挥其有益作用的能力有关。这些可以减少的几个原因与寄主植物基因型、微生物物种与生长环境的相容性、与其他土壤微生物的空间竞争以及土壤中的持久性密切相关。在实际环境中应用SynComs时，与自然发生的微生物种群之间的生态相互作用是必须考虑的最重要方面之一。使用假单胞菌属开发的 SynComs 的存活率证明了基于生态的群落组装规则的重要性：存活率与发达联盟的多样性直接且正相关。此外，群落的生长和发展受到多种因素的影响，包括生长基质和其他化合物的存在。关于植物控制其相关微生物群落的能力以及微生物群落成员如何相互作用的机制的知识仍然有限，这也极大地限制了它们在农业中的开发。有趣的是，丛枝菌根反应似乎受到“基因型×环境相互作用”的影响，即不同基因型以不同方式对不同环境作出反应的现象。关于以人类为中心的育种对微生物组组装和功能的影响，对野生植物和原生栖息地微生物组的更多见解可能有助于恢复或丰富微生物的当前基因型，对植物生长、发育和健康产生有益影响。由于采用了综合方法（例如，高通量植物表型分析、鉴定与特定基因型密切相关的核心微生物群、接种个性化 SynCom 以及在分子水平上分析植物反应）因此可以找到一些与野生基因型密切相关的微生物，可用于恢复育种过程中丢失的性状。 3 结束语 专门针对特定植物性状的选择和改良的驯化，本质上是以人类为中心的育种计划，对农业系统中有益的共生功能体相关的微生物的招募和功能产生了负面影响。众所周知，植物相关微生物可以改善植物的生长和健康，因此植物与微生物相互作用和合作的能力应被视为现代育种计划的基本特征。应用植物育种的整体视野，包括利用“全组学”技术将使我们对植物-微生物组相互作用的潜在的世界有更深入的了解。这将为尝试管理这些相互作用开辟一条道路，将其作为一种可持续的工具来恢复植物应对胁迫因素的恢复能力。 4 通讯作者 Raffaella Balestrini，来自意大利国家研究委员会，可持续植物保护研究所。主要研究植物—土壤微生物互作的细胞和分子基础。聚焦于细胞壁变化和营养交换。她主要致力于阐明菌根共生体互作面建立的不同方面，并借助激光显微切割技术在丛枝菌根（AM）根细胞特异性方面获得了新见解。她也在不同的菌根真菌的基因组特征方面有所研究。目前的研究主要是作物对环境压力的应答以及根相关微生物（如菌根真菌）在提升抗逆性方面的作用。利用组学手段如转录组来进行研究。  发表论文超100篇，H指数44（https://scholar./citations?user=gFnAsOwAAAAJ&hl=it）  Reference: Luca Nerva, Marco Sandrini, Loredana Moffa, Riccardo Velasco, Raffaella Balestrini, Walter Chitarra. Breeding toward improved ecological plant–microbiome interactions, Trends in Plant Science, 2022. |
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