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Linking plant functional genes to rhizosphere microbes: a review  Review，2022-10-22，Plant Biotechnology Journal ， [IF 13.263] 第一作者：Qi Liu (刘琪) 通讯作者：Tengxiang Lian (连腾祥) (liantx@scau.edu.cn) Jian Jin (金剑) (jinjian29@hotmail.com) DOI：10.1111/pbi.13950 原文链接：https://onlinelibrary./doi/abs/10.1111/pbi.13950 - 摘要 - 根际微生物组在植物发育、营养获取和抗逆性方面的重要性是毋庸置疑的。与上述功能相对应的相关植物基因也会调节根际微生物组的构建。破译植物-微生物相互作用的分子调控网络，可大大有助于提高作物产量和质量。在此，本综述讨论了与养分吸收、生物和非生物胁迫抵抗有关的植物基因，这些基因可能影响微生物群落的组成和功能。反过来，也回顾了微生物对植物功能基因表达的影响，从而影响了植物的生长和免疫力。此外，我们还特别关注了用于联系植物功能基因和根际微生物群的技术和方法。最后，我们建议进一步探索微生物-宿主基因相互作用的分子机制和信号通路，这有可能被用于农业系统的植物健康管理。 - 引言 - 作物的环境友好型生产是农业系统中养活不断增长的人口的挑战之一。越来越多的证据表明，土壤根际微生物群有利于植物生长和健康，因此在应对这一挑战中发挥着重要作用。宿主相关的微生物群栖息在各种植物组织内和根部表面，以获取土壤养分。微生物群落结构主要由宿主植物和外部环境改变。当植物受到生物或非生物胁迫时，它们可以通过分泌一系列的化学因子来招募有益的微生物帮助它们抵抗这些胁迫，这被称为“呼救”策略。为了理解植物的全面 "呼救"策略，解开招募根际微生物组的分子机制至关重要。 植物基因的功能对于理解控制植物发育和胁迫响应的信号级联至关重要。在模式植物拟南芥中，大量的基因功能已经被确认。通常，一个基因或几个基因可以在很大程度上调节植物中的养分吸收、病害耐受和抵御非生物胁迫。这些基因在不同的作物如小麦、水稻、玉米、大豆和高粱中得到了进一步验证。近年来，植物功能基因也被发现在塑造根际微生物组方面发挥重要作用。植物与微生物在分子水平上相互作用的发现为遗传育种提供了一个新的方向。对微生物与宿主基因相互作用的进一步研究，有望培育出新的种质资源。植物功能基因可以调节根型特征和根系分泌物的分泌，如有机酸和激素，这已经被发现可以驱动根际微生物群落组装。例如，植物有机酸通道蛋白基因的表达可以促进有机酸的产生，它可以通过形成稳定的金属螯合物和增加土壤pH值来招募有益的根际微生物。 根际微生物也可以通过诱导植物功能基因的表达而赋予植物健康优势。已经证明，与养分吸收和抗逆性有关的基因的表达受到根际微生物群结构和功能变化的影响。这些微生物可以通过分泌次生代谢产物、产生挥发性化合物和竞争养分来调节植物功能基因的表达，从而直接或间接影响植物的生长和发育。因此，植物功能基因和根际微生物组之间存在着复杂的相互作用网络，它们都对植物的生存和生长起着关键作用。然而，究竟是植物基因还是根际微生物对植物的发育有更大的影响，目前还存在争议，这需要特定的植物-微生物贡献算法。探讨这种关系将有助于我们培育具有较强适应性和抵御交叉胁迫的作物品种。迄今为止，由于微生物-宿主基因相互作用的机制复杂且涉及多学科交叉，诸如此类的研究仅仅是冰山一角。因此，了解植物与微生物的交流是如何建立的，需要利用前沿技术进行更多的实验探索。 前所未有的技术促进了植物特定基因与根际微生物互作的研究。这些技术包括与植物相关的CRISPR-Cas、转基因和毛状根以及与微生物相关的16S rRNA测序、基因芯片、宏基因组和合成群落。利用 "自上而下"和 "自下而上"的设计方法和相关技术，植物功能基因-微生物相互作用的机制取得了巨大进展。在此，我们总结了植物特异性基因如何调控根际微生物，反过来根际微生物又如何影响宿主基因，以及所使用的研究方法。 自然界中的大多数微生物是不可培养的。然而，在可培养的中要考虑细微而复杂的实验条件和培养基组合，大大阻碍了微生物组学的发展。为了克服纯培养的缺点，近年来发展了微生物组测序技术。很明显，微生物组不能在遗传和转录水平上被完全描述。因此，在微生物功能研究中，发展蛋白组学和代谢组学尤为必要。上述微生物组技术的空前发展，使人们能够深入分析和理解宿主相关微生物群的组成和功能。 - 主要内容 - 1. 植物功能基因调控根际微生物 植物特异性基因对根际微生物群的影响是基于分子信号传递，这本质上是一个“自上而下”的过程。越来越多的研究考察植物功能基因如何在分子水平上影响微生物，如具有相同的高养分利用效率和抗逆性的栽培品种所选择的根际微生物群结构。尽管一些基因只解释了根际微生物组总变异的一小部分，但微生物组越来越被认为是植物表型的一个重要预测因素。在本节中，我们将专门讨论可能受植物功能基因调控的根际微生物，包括养分吸收基因、病害和非生物胁迫抗性基因。 1.1 养分吸收相关基因影响根际微生物 植物的生长发育很大程度上取决于根系可获得的营养物质的可用性，表明植物在摄取养分进行细胞活动时必须面对巨大的挑战，任何营养物质的缺乏都可能降低生产力。因此，一些植物物种已经 "迎难而上"，试图通过调节养分吸收基因来招募土壤微生物，以增强对养分匮乏的防御能力。养分吸收相关基因调控根际微生物的主要机制是增加根表面积、根毛和侧根是改变根际微生物群落的关键因素（图1a）。例如，玉米（Zea mays）突变体无根分生组织1（rum1）在初生根的胚根和胚后期侧根的启动上有缺陷。Rum1基因是玉米中由辅助素介导的侧根和种子根启动的一个重要节点，它可能通过调节初生根中的生长素运输和初生根周细胞中的生长素感知而参与根系形成的分子网络，并影响侧根的形成。最近，有研究表明，与野生型相比，玉米突变体rum1沿根系发育区的根际细菌多样性明显减少。由于突变体rum1缺乏侧根，在早期发育阶段限制了水和营养的获取。这表明，根系发育相关的基因可以通过介导一些关键的信号物质来控制侧根的长度和数量，而这些信号物质又会影响根际微生物的组成。 一些与养分吸收和运输有关的基因已经被确认，如铵态氮、硝态氮和磷酸根系转运体。例如，在拟南芥和其他作物中已经发现了几个参与NO3-的质膜转运体。NRT1.1B被发现在很大程度上解释了两个亚洲的主要水稻亚种品种籼稻和粳稻之间氮素利用效率的差异。此外，NRT1.1不仅能运输硝酸盐，还能促进根际生长激素的吸收，从而影响侧根发育。研究发现，与NRT1.1B突变体相比，野生型水稻有更多参与氮循环的根际微生物。NRT1.1B与根部细菌的相对丰度有关，包含氨化过程中的关键基因，这些微生物可能催化根际环境中铵的形成，从而影响植物对氮的获取。另一个例子是，三磷酸腺苷结合盒（ABC）转运蛋白包括一个大的家族，已被证明参与植物中内源性次生代谢物的膜运输。这个家族中的一些成员在抗真菌二萜的分泌和重金属解毒中很重要。研究表明，ABC转运体abcg30（Atpdr2）受损的拟南芥突变体会分别增加和减少酚类和糖类的分泌，形成一个特定的微生物群落，能够抵抗或降解富含在abcg30植物分泌物中的酚类化合物，从而减少根际细菌的多样性。此外，事实证明，karrikin（KAR）/KAR-like Signals（KLs）/D14L-配体反应基因可以促进糙米内酯和黄酮类化合物的产生，从而选择性地改变根际微生物的组成。这些研究表明，一些养分摄取和运输相关的基因可以通过调节根细胞转运蛋白的活性、分泌根系分泌物（如次生代谢产物、有机酸、激素），从而调节植物养分的利用，改变根部环境条件（如土壤pH值、O2分压、碳源）（图1b）。此外，一些根部分泌物可以作为信号启动根际化学信号识别过程，从而影响基于微生物的作物生长防御权衡策略。 在豆科植物中存在一些特定的机制，养分吸收相关的基因（如基因控制结瘤，从而增加氮的吸收）调节根际微生物组。这是因为根瘤菌的共生固氮是豆科植物和根瘤菌之间通过激活根瘤菌诱导的信号通路和表达结核原基形成所需的功能基因而建立的互利共生过程。许多重要的基因，包括结瘤启动（NIN）、结核需求（ERN1）、结瘤因子受体5、莲藕组氨酸激酶1和一些微（mi）RNA，如MtmiR169a-MtNFYA1，已被报道通过调节结瘤信号通路或介导分泌类黄酮和硝酸盐（影响豆科植物根瘤菌感染）而参与影响结瘤。最近的一项研究表明，miR169c的过量表达通过靶向GmNFYA-C的3'-UTR抑制了结瘤，而当miR169c失去功能时则促进了结瘤。在潜在的豆科植物宿主的根际中，根瘤菌与土壤微生物有密切的合作或竞争关系。例如，外源根瘤菌可以增加潜在有益微生物的相对丰度，从而改变微生物群落的结构和组成。此外，蜡样芽孢杆菌组分别特异性地促进和抑制快生根瘤菌和慢生根瘤菌的生长和定殖。因此，豆科植物的基因也可以通过介导根瘤菌的殖和结瘤来影响根际微生物群落的建立和改变。 总的来说，这些研究表明，与养分有关的基因可以通过改变根系结构形态、影响植物养分利用效率、调节结瘤定植，从而改变根际微环境，直接或间接地影响根瘤微生物群落的结构。这些机制可以为分子育种策略提供信息，以提高作物的养分利用率，从而提高生产力。 1.2 抗病基因影响根际微生物 在多变的环境中植物生长受到病原体等各种生物胁迫的威胁，并逐渐驯化出相应的抵御机制。当植物受到病原体入侵时，抗病基因将被激活，进而触发植物特定的分子免疫识别系统。以前的研究表明，细胞膜受体蛋白激酶FERONIA（FER）可以通过小G蛋白（ROP2）调节微生物相关分子模式（MAMP）诱导根部活性氧（ROS）爆发和基础ROS水平，而小G蛋白是质膜NADPH氧化酶的正调节因子。经过对不同基因突变体的遗传分析，研究人员发现ROP2介导的基底水平的ROS调节对盘状假单胞菌的生长调节至关重要。研究人员发现，fer-8突变体在病原体入侵后降低了根系中ROS的基础水平，并且缺乏NADPH氧化酶的突变体显示出根际假单胞菌的升高，表明植物可能通过RALF-FER信号通路介导植物免疫系统，或影响特定分泌物的释放，增加假单胞菌种群以抵抗病原体入侵（图1b）。作为最具代表性的植物次生代谢产物，香豆素、苯并恶唑类和三萜类在提高植物抗病性方面发挥着举足轻重的作用。最近，人们发现两个多药及毒性化合物外排（MATE）转运蛋白（CmMATE1和ClMATE1）参与了各自的葫芦素（葫芦科植物特有的三萜类）的转运。他们进一步表明，葫芦素B从甜瓜根部运输到土壤中，通过选择性地富集两个细菌属，即肠杆菌和芽孢杆菌，调节根际微生物群，导致对土传枯萎病真菌Fusarium oxysporum的强烈抵抗。这些研究共同表明，植物抗病基因可以通过激活植物免疫系统或调节植物中几种关键代谢物的合成来招募有益微生物或改变微生物群落结构。这些研究工作为利用根际微生物群提高对土传疾病的抗性铺平了道路。 1.3 抗非生物胁迫基因影响根际微生物 除生物胁迫外，植物-微生物共生生物体还受到非生物胁迫，如营养物质缺乏（即氮、铁和磷）和高重金属。拟南芥根部特异性R2R3型MYB转录因子MYB72已成为诱导系统性抗性（ISR）的重要组成部分。除了在ISR中的作用外，MYB72也在拟南芥根部铁限制和铁吸收扭曲的生长条件下被诱导。研究强烈表明，转录因子MYB72和MYB72控制的β-葡萄糖苷酶BGLU42在调节有益的根际细菌诱导的系统抗性（ISR）和铁吸收反应方面起着关键作用，通过调节香豆素的分泌抑制土传真菌病原体，促进生长促进型和ISR诱导型根际细菌的生长。根际微生物因此成为植物抢占稀缺的土壤铁资源的 "秘密武器"，为调控土壤铁的动员和活化提供了新思路，促进了植物功能基因-根际微生物模型在作物抗非生物胁迫中的广泛应用。 植物MATE家族运输物质广泛，如有机酸、植物激素和次生代谢物。许多MATE转运蛋白的功能已经在植物中得到说明，包括次生代谢物如生物碱的转运，病害耐受调节，铁转运和Al解毒。MATE转运蛋白也存在涉及水稻、玉米、大豆和高粱等作物的铝（Al）抗性和耐受性。当大豆暴露在高铝胁迫下时，GmMATE58和GmMATE1基因的表达量增加，促进了苹果酸、草酸和酚类化合物等物质的分泌，可以招募有益微生物来增强大豆抵抗Al毒性的能力。尤其是招募微生物，如伯克霍尔德菌，可以提高土壤中磷的溶解度，并进行反硝化作用，从而提高大豆对Al毒性的耐受性。值得注意的是，不仅是基因的正常或过量表达，植物功能基因的缺失也会影响宿主对各种胁迫的抗性。我们最近的研究发现，水稻sst（幼苗耐盐）基因的功能丧失后，可以通过改变植物代谢产物，如盐霉素、熊果苷、磷酸甘醇酸等，影响根际微生物，进而协助宿主抵抗盐胁迫。这些研究说明，与养分相关的基因一样，非生物胁迫抗性基因可以通过诱导系统抗逆性和调控特定的代谢产物来调节根际微生物。 宿主特异性基因的表达对土壤酶的活性也有调节作用（图1c）。这主要是由于土壤酶主要来自植物根系分泌物和微生物的代谢物。微生物的数量和功能与土壤酶的活性密切相关，包括脲酶、蔗糖酶和纤维素酶等。通过温室试验，发现转基因AFPCHI抗病甜菜的尿素酶、脱氢酶、蛋白酶、过氧化氢酶、链蛋白酶、酸性和碱性磷酸酶活性增加。然而，有报道称，种植了反式抗微生物蛋白基因和反式无效质粒基因的烟草在特定时期对紫色土壤中的过氧化物酶和脲酶活性有一定的抑制作用。植物抗病基因可能通过调节土壤酶的活性来影响根际微生物的组装，这一点还有待进一步验证。 1.4 基因调控根际微生物的机制 根据上述描述，植物功能基因主要通过调节根系结构形态、植物养分利用效率、根瘤菌定植、次生代谢产物和激素以及激活植物免疫系统来影响根际微环境或直接向微生物发出信号。然而，这些机制在植物中往往是相互作用的。例如，植物激素可以影响根部结构形态、植物依赖性防御过程和根系分泌物的分泌。生长激素主要通过生长激素合成途径和极性运输载体途径调节拟南芥的根系发育。生长素合成基因rty（深根）和sur（超级根）缺失可导致内源性IAA合成过多，侧根数量多。乙烯通过调节EIN3/EIL1和RHD6/RSL1转录复合物的活性促进拟南芥根毛的生长。此外，植物免疫系统可分为两层，激素信号对这两层都是必不可少的。在第一层，植物受到损害，识别微生物/病原体，并释放小分子损害相关分子模式（DAMPs），触发免疫信号，导致模式触发免疫（PTI）。PTI免疫中的基因表达几乎总是受到部门之间相互作用的影响。在第二层，病原体分泌可变的效应物，通过抑制防御激素阻碍PTI，抗性植物识别效应物，触发效应物免疫（ETI）。在ETI中，如果其中一个不活跃，所有部门都可以（部分）接管反应。然而，在实际防御过程中，不同激素的分子途径之间存在着复杂的串联，这种串联对于调整植物的生长和发育，从而影响微生物，是非常关键和复杂的。此外，激素可以介导根系分泌物的分泌。已有研究表明，ET信号传导途径的中断导致根系分泌物的组成差异，包括较少的6，7-二羟香豆素、没食子酸、L-岩藻糖、二十碳五烯酸和较多的β-醛，这些根系分泌物的代谢物可以影响细菌分类群的组装和功能。  图1. 植物功能基因调控根际微生物多样性和功能 2. 根际微生物对植物功能基因的影响 2.1 根际微生物对植物生长和发育基因的影响 几十年来，关于有益的植物-微生物相互作用的研究已经形成了一个强大的分子框架。微生物可以通过固定氮来上调或下调与植物营养吸收和次级代谢物相关的基因，从而促进或抑制植物生长（图2）。在特定植物的根际与固氮有关的主要微生物包括克雷伯氏菌、帕尼巴氏菌和阿兹匹林菌。Zhong等人（2021）指出，特定的宿主遗传学和相关微生物之间存在特定的关系。合成群落（SynComs）应用可以系统地调节参与生长和营养代谢多个方面的基因转录，特别是生长素反应和营养信号通路的结果进一步证明了这一点。SynComs处理的植物中，硝酸盐转运体基因和硝酸盐还原酶基因的表达被下调，改善了生物固氮，从而抑制了根系对氮的直接吸收和相关的代谢途径。许多磷饥饿（PSR）基因、磷酸盐运输和代谢基因也被SynComs激活。这表明，微生物不仅有助于磷从不溶性形式中释放出来，还能激活PSR信号系统，从而加强对环境磷的吸收，促进组织间的磷回收。此外，GO分析显示，在受SynComs应用影响的差异表达基因中，生长激素反应基因非常丰富。被招募的根际微生物可以产生植物激素来调节植物开花信号通路。破译根瘤微生物和植物功能基因之间关于开花时间的联系也是目前的一个重点（图2）。首先，微生物可以从色氨酸（Trp）产生IAA。据报道，节杆菌是丰富的根际微生物之一，具有产生IAA的能力，这有益于植物生长。IAA是下调参与开花的基因表达的直接驱动力，从而推迟开花时间。研究还发现，选择性富集的根际微生物通过影响蒸压盆栽混合土壤中的可用氮含量来调节开花时间。值得注意的是，微生物也会合成和分泌许多挥发性有机化合物(VOCs)，扰乱宿主的开花时间。VOCs是低分子量(<300道尔顿)的分子，由于高蒸气压和低沸点，容易被空气和水分散。在VOCs处理的ahk2/4和ahk3/4植物中，花芽的出现比未处理的拟南芥早3-4天。相反，VOCs对ahk2/3和35S:CKX1植株（ahk2/4、ahk3/4和ahk2/3是CK信号突变体；35S:CKX1植株是CK氧化酶/脱氢酶1过表达植株）的花芽出现时间没有任何明显影响。这些发现提供了强有力的证据，证明VOCs促进的早期开花涉及通过CKs清除NO分子来抑制NO作用。微生物共同合成大量的营养物质和激素，影响植物开花相关基因的表达，并可能直接或间接调节植物开花时间。 根际微生物释放的VOCs也可以改善生态系统的多种功能，如植物生长和发育。已发现多种细菌或真菌可以产生VOCs，如芽孢杆菌、假单胞菌和沙雷氏菌属。Sun等人（2020年）发现，用F.luteovirens VOCs处理，通过抑制生长素外流载体PIN-FORMED 2（PIN2）蛋白的丰度，增加生长素的积累，从而减少主根的生长，而增加拟南芥幼苗的侧根数量。除了调节根系结构外，用F.luteovirens VOCs处理明显增加了地上生长。转录组和代谢组分析进一步支持F.luteovirens VOCs通过诱导碳/氮代谢和抗氧化防御相关基因的上调或下调来调节植物生长和发育的观点。总的来说，这些发现表明，根际微生物可以通过调动养分、改变植物养分利用效率和产生激素（如IAA和挥发性化合物）来调节植物生长相关基因的表达。 2.2 根际微生物对植物抗性基因的影响 作为固着生物，植物必须应对各种生物和非生物的压力，以便长期驯化。在这个过程中，相应的抗性基因和机制不断进化，以抵御不利的环境条件。最近，生命科学领域出现了一种范式转变，即微生物群落被视为耐受机制的核心驱动力。招募有益微生物来建立防御信号通路（图2）是基于植物、病原菌和根际微生物在应对生物胁迫时的三方互作。这可能是整个植物界保守的生存策略。被真菌病原体假丝酵母菌（Fp）感染的硬质小麦导致根际有益细菌寡养单胞菌（SR80）的富集。作为一个早期预警因子，富集的SR80能够促进参与水杨酸（SA）和茉莉酸（JA）信号通路的病原菌相关（PR）基因的大规模表达，增强宿主对冠腐病（CR）的免疫力。另一个案例是镰刀菌（Fusarium culmorum）产生的VOCs刺激了沙雷氏菌（Serratia plymuthica）的flavonoid sodorifen VOCs的产生，从而诱导了拟南芥中相关防御基因的表达。 在非生物胁迫下，根际微生物对植物基因的影响可能更容易被理解。至于低磷可用性，由微生物入侵诱导的磷饥饿反应（PSR）可以促进主转录调节器PhR1的表达，改变植物的正磷酸盐（Pi）代谢。PHR1直接激活了微生物对磷酸盐限制的强化反应，同时压制了微生物驱动的植物免疫系统。这表明微生物改变了防御基因的转录水平，以增强植物的免疫力。此外，根际微生物组可能改变更多的防御途径，以减轻非生物胁迫。在干旱胁迫条件下接种丛枝真菌（AMF）已被发现能够诱导1-吡咯啉-5-羧酸合成酶（P5CS）基因的表达。P5CS是一种参与脯氨酸合成的关键酶，可以促进细胞保水，从而提高植物抗渗透压能力。同时，AMF也通过调节9-顺式环氧类固醇二氧化酶（NCED）基因的表达，提高植物对干旱胁迫的抵抗力。NCED是控制脱落酸（ABA）代谢的一个重要酶，它催化环氧类胡萝卜素氧化裂解成黄素。总的来说，上述证据表明，微生物可以通过多种途径调节植物基因的表达，如分泌激素、产生VOCs、增强植物免疫系统和建立防御信号通路，以帮助宿主适应各种胁迫。这些研究阐明了植物相关的根际微生物对植物功能的重要作用，并拓宽了通过微生物干预操纵宿主生长的多种思路。  图2. 根际微生物影响与生长发育、开花时间和抗逆性有关的植物功能基因 3. 联系植物功能基因与根际微生物的研究方法 3.1 养分吸收相关基因影响根际微生物 植物功能基因与根际微生物的关系是复杂的。不仅需要考虑“功能基因-下游、基因-代谢物或其他信号物质-微生物”的途径，还需要考虑微生物间、环境和植物残基等因素。这些信号物质，如激素和小RNA，在宿主和微生物之间频繁交换，触发双方的结构和功能变化。微生物所期望的实质功能是植物健康生长的关键。新的研究结果表明，宿主健康的最终结果可能不仅取决于宿主和微生物之间的物质交换，还取决于微生物组成员之间的信号和代谢相互作用。因此，理解植物基因-微生物相互作用可能需要在宿主和微生物的功能容量、活性和分子交换水平上检查这些关系。然而，我们对植物基因-微生物相互作用功能的理解进展缓慢的一个更大的原因可能在于我们对方法和工具的选择。如何将宿主中心分子技术(如CRISPR/Cas系统(如Cas9和Cas12a)、基因沉默(如RNA干扰)、基因过表达和转录组与微生物中心组织学测序技术(如扩增子测序、鸟弹宏基因组学、宏转录组学和代谢组学)整合起来，对于解锁植物基因-微生物相互作用的复杂机制非常重要(图3)。  图3. 连接植物和微生物组相关技术 全基因组关联研究（GWAS）很好地将植物组学与微生物组学结合起来，并证明了宿主基因组学确实影响了微生物组的组成。GWAS，以前常采用定量方法将微生物组绘制为表型来研究叶际微生物组。现逐渐聚焦于拟南芥、高粱、大麦、玉米和番茄等植物的根际微生物组。与叶际相比，根际已被证明是揭示宿主微生物组遗传能力最有潜力的部分。这可能是由于根际微生物组的高度复杂性及其强大的定殖能力。GWAS打通了植物基因型-宿主表型-微生物组三方关系的壁垒，从而确定了植物表型与微生物组功能之间的联系。因此，通过根际微生物组的丰度和群落结构等特征即可以推测相关的遗传位点和植物基因。而这些候选基因可通过人为修饰后得到的突变体进行验证用于阐明微生物组变化的潜在宿主遗传原因。即使确定了微生物招募的候选基因，在复制和验证方面也存在困难。相反，宿主基因型数据也可以预测微生物的组成，前提是确定被检验的宿主中微生物组是否存在种间或种内差异。植物微生物组关联的GWAS促进了对微生物组组装的宿主分子机制的全面理解，为微生物组特征实现到育种计划中奠定了基础。值得注意的是，可遗传的根际微生物在不同宿主基因型中表现出强烈的重叠。这部分微生物可能是在物种驯化和时间进化尺度上趋于稳定的少数关键微生物，随后调节群落其他成员的增殖。此外，由于环境条件是变异性的主要组成部分，而植物基因型只能解释少数微生物变异，GWAS需要开发更全面的模型来揭示基因型、微生物组、环境及其相互作用对植物表型的影响。 对于微生物测序，目前广泛使用的技术仍然是二代测序，这无疑使研究人员对微生物群落结构有了更广泛的了解。越来越多的研究还通过结合转录组学和宏基因组学、基因芯片和病毒组学来关注微生物的活性和功能，并有可能在以后开发更先进的方法。上述每种技术都有各自的优缺点(表1)，研究人员可以根据需要和经费预算选择合适的方法。值得注意的是，基因对根际微生物的影响往往是通过代谢或小分子信号物质完成的。因此，代谢组学和检测小分子信号物质（即miRNA）的转移在这一互惠过程中变得尤为重要。因此，数据整合方法是揭示植物功能基因与微生物之间关系的必要手段。Pang等人(2021)回顾了用于整合植物代谢产物和微生物组数据的统计方法，Zancarini等人(2021)综述了用于整合植物组学和微生物组数据的统计方法。可以肯定的是，快速发展的多组学联合分析可能进一步阐明基因与微生物群之间的相互作用机制。 基于上述方法，已有大量数据支持植物基因与微生物结构和功能之间的联系，但仍缺乏对微生物功能的验证。最近，人工重组越来越多地被用于验证微生物功能。我们认为，诸如Zhang等人（2021）开发的高通量分离方法和计算机指导的人工菌落合成等技术的快速发展可以帮助探索植物基因和微生物的相互作用。具体来说，接种人工细菌群落后，拟南芥的根部扩散屏障基因型和野生型之间的根际细菌群落组成存在明显差异。这些结果表明，拟南芥根系的内皮扩散成分调节了微生物群落的构象。此外，通过比较野生型植物和突变型myb36-2根中差异表达的基因，合成群体抑制了对ABA(cluster C2)的转录响应，从而推测微生物组通过ABA依赖的途径调节木栓化和木质化。显然，合成生物学正在建立跨界联系，以及建立植物营养和防御之间的分子联系。然而，最近合成群落的发展忽略了微生物组研究的基本问题，即标准化和可重复性。在研究复杂的微生物群落时，很少使用培养系统的标准化。研究人员通常使用单一菌株或简单的共培养，这往往是自然界中复杂和代谢多样化的微生物群落的不良模型。尽管这些方法可以更好地理解原生微生物组，但在缺乏随时间稳定的微生物接种物的情况下，它们缺乏可重复性（即使在单个实验室内）。 在使用宏基因组检测叶、茎和根中的内生真菌时需要小心，因为宿主基因和微生物基因可能发生交叉污染。为了解决这一问题，需要在后续分析中识别宿主基因组以去除宿主基因污染。这无疑限制了许多研究在某些作物上的开展。此外，选择适当的时间取样是一个挑战，因为对于宿主和微生物组的反应何时发生以及它们的相互作用如何随着植物的生长而变化，通常没有或很少有先验的知识。由于以上涉及的一些技术成本较高，因此我们建议研究人员选择多个采样时间点，并使用合适的技术，利用多组学方法探索植物基因和微生物相互作用的动态过程。另外，由于土壤类型对微生物影响很大，我们建议在不同土壤类型中进行实验验证，以发现微生物调控基因的一般模式。 - 结论和展望 - 具有操纵植物功能基因表达的微生物群落在生物工程、农业和环境修复方面具有巨大潜力。有明确的证据表明，植物功能基因和根际微生物群可以相互作用。然而，需要更多的基础研究来解密植物-微生物交流中功能基因的“开或关”。目前并不缺乏可用于进一步探索微生物-宿主基因相互作用的分子机制和信号通路的新兴技术和方法。然而，要构建一个完整的植物功能基因和根际微生物的网络，还有很长的路要走，有大量的问题有待解决：1. 如何找到能够大规模调控根际微生物群的植物基因？考虑到GWAS可以用来识别特定的基因调控的微生物，GWAS可能是一个非常好的方法；2. 植物基因在塑造根瘤微生物群及其相关功能方面能发挥多大的作用以及多长时间？反之，微生物对特定基因？3. 除了代谢物，植物和微生物的相互作用是否还有其他信号，如miRNA？这些知识将使我们能够通过基因工程重塑微生物群，或通过微生物调节植物的功能基因，最终优化植物生长。 |
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