背景: 近几十年来，居室保洁13825404095植物微生物群促进植物生长和保护植物免受病原菌侵害等有益机制的研究受到了广泛关注；然而，植物招募微生物的机制在很大程度上未知。
目的: 本文综述了最新的研究，揭示植物选择性招募有益微生物群的策略，以及其如何排除潜在的病原菌。
主要科学观点: 本文研究了植物如何从主要相互作用区域(如根际、内层和叶际)招募有益微生物群，并证明了该过程是通过产生根系分泌物、识别有益微生物群产生的分子或利用特定受体识别病原菌，或者通过触发支持植物-微生物群稳态的信号来实现的。其次，我们分析了影响微生物群落结构和演替动态的主要环境或生物因素。最后，我们回顾了微生物群如何与其他协同微生物结合，从而提供额外的选择因素。综上所述，本文揭示了理解复杂的植物相互作用网络的重要性，基于在不同环境条件下与植物器官有效相互作用的微生物组，这将提高对生物接种剂在农业中应用的理解。
图文摘要
论文ID
原名：How plants recruit their microbiome? New insights into beneficial interactions
译名：植物如何招募微生物群？有益相互作用的新见解
期刊：Journal of Advanced Research
IF：12.822
发表时间：2021.12
通讯作者：Gustavo Santoyo
通讯作者单位：墨西哥圣尼古拉斯·德·伊达尔戈米却肯大学
DOI号：10.1016/j.jare.2021.11.020
综述目录
1 前言 2 植物-微生物相互作用 2.1 影响植物与微生物群落短期和长期关联的因素 2.2 从有益到致病的相互作用 3 植物招募微生物群 3.1 在根际招募 3.2 根际微生物群落的连续构象 4 内层定殖 4.1 植物防御反应和激素在控制内生菌定殖中的作用 5 到达叶际 5.1 允许/限制叶际微生物群落建立的植物驱动因子 6 植物微生物群有助于招募其他有益微生物吗？ 6.1 限制有害微生物的招募 7 结论和观点
主要内容
1 前言
植物和微生物之间的联系有4亿年之久；现有的化石记录支持建立植物和某些真菌之间的相互作用，如丛枝菌根。由于植物和细菌脆弱的单细胞性质，可能没有植物-细菌关联的化石记录。因此，这种关联是意料之中的，因为微生物先于植物出现，并占据了地球生态系统的主要部分。因此，植物与微生物形成共生体和共生关系。在这方面，这两组生物开始建立化学和物理通讯，其中多细胞和较大的植物使选定的微生物能够建立和定殖于其内部区室，如根、茎和叶。根据Margulis的共生理论，某些类群甚至产生了叶绿体和线粒体等细胞器。
然而，最初并不是所有的关联都是有益的，因为某些微生物(如细菌、真菌或病毒)利用它们的遗传资源进化、攻击和感染系统来生存，造成其宿主损伤(即发病机制)。相反，当非致病性微生物与植物共同繁殖时，双方都受益，因为植物分泌光合作用产物，而异养微生物除了通过合成和释放不同来源和功能的化合物来刺激它们的生长和健康外，还提供抵御病原菌的保护。例如，木霉属(Trichoderma)或芽孢杆菌属(Bacillus)或假单胞菌属(Pseudomonas)的多种无毒真菌能够合成数百种化合物，这些化合物在与植物的相互作用中发挥作用，刺激其生长或拮抗病原菌或线虫。同样，在生物地球化学循环中栖息并与之相关的其他菌根真菌类群能够改善土壤肥力条件，从而改善植物的营养状况。这种具有有益代谢能力的与植物相关的微生物群已被用作生物接种剂(即生物杀菌剂/生物肥料或两者兼用)，以改善各种农业系统中谷物、蔬菜和水果的生长和产量。因此，它们是对污染环境和对人类健康有害的农药的极好替代。
植物和微生物之间的这些不同的生态相互作用提出了一个问题：植物如何招募与其相关的微生物群?在过去的几十年里，人们通过实地和实验室的方法对其进行了研究。然而，这个问题仍然是分子植物-微生物相互作用领域的核心问题。最近，各种组学技术揭示了植物微生物两个方向的刺激-反应的全貌。在本文中，我们回顾了最近的和重要的文献，以确定殖物如何从根际、内层和叶际等区域招募有益微生物群。这些区域的有益微生物群之间的强相互作用提供了多种有益的服务，如在不同的环境条件下保护植物和促进生长(图1)。最近的一些综述已经阐明了这些有益微生物的活动。此外，我们还将讨论使植物优先与微生物群结合的选择系统，从而提供一定的适应性优势(相对于条件致病菌)，以及可能有助于这种适应的因素。最后，我们认为相同的植物微生物群通过不同的机制促进其他有益微生物的招募。
2 植物-微生物相互作用
环境中存在的绝大多数微生物与植物并不发生相互作用，表明它们之间存在中性作用。相反，某些微生物形成寄生相互作用(病原菌)，影响宿主植物的健康和发育。在共生关系中，即两个物种的个体之间的关系，其中一个物种受益，另一个物种既不受积极影响也不受消极影响。最后，在共生或互惠关系中，植物和微生物都获得一定的优势和/或获益。在某些情况下，这种共生关系可能是极其狭窄和专性的，一种生物缺乏，两者都无法生存。据我们所知，专性共生在农学植物和相关生物之间是罕见的，但如果发现存在专性共生，对双方都是有益的。其中一种细菌被确定为根瘤菌(自由生存的腐生菌)，栖息在根际，通过在根中形成根瘤并固定大气中的氮，与某些豆科植物进行特定的通讯。固氮后得到的氨可以被植物利用，而共生生物得到了“生存的家园”和生存的营养物质。根生物群落(以及与根瘤相关的非根瘤菌)和植物之间的这种相互作用定义了“MicrobiHome”。
2.1 影响植物与微生物群落短期和长期关联的因素
一般来说，相互作用的类型可以根据其持续时间来定义，也就是说，植物可以偶然(短期)与某些微生物相关联，并在适当的时候停止相互作用。相反，某些关联是长期的，也许在植物的生命周期内或之后。与植物有长期关联的微生物被称为核心微生物群，可被定义为与植物(及其基因储备)有长期相互作用的总微生物群，它们可以生存、繁殖，并与不同的组织(如根、芽、叶、花)相互作用。确定每种植物的核心微生物群对于更好地理解物种间特异性关系和认识其应用方面的优势至关重要，例如在农业生物技术中，它可以提高应用于各种环境条件的生物接种剂的效率。 各种非生物和生物因素影响植物与其微生物群之间的短期和长期关联。非生物因素包括土壤pH值(被认为是根际微生物与植物相互作用的因素)，此外还有资源的可用性，如养分、氧气、温度、水、存在污染金属或类金属、盐度和土壤类型。在一项使用根箱的研究中，Blossfeld等人对植物根际(灯心草属Juncus spp.)存在的氧和pH标准进行了非侵入性分析。有趣的是，该研究认为， O 2浓度梯度与pH值的动态相互作用以及分泌的有机酸是根际理化环境的关键参数。重要的是通过不同梯度的氧、pH和根系分泌物来评估根际微生物群落的种群动态，并观察在某些微生物物种的存在下，这些因素如何调节(或被调节)和影响植物的生长和适应性。Philippot等人的综述还表明，一般来说，变形菌门(Proteobacteria)在根际中占优势，而子囊菌门(Ascomycota ) 和球囊菌门(Glomeromycota)是植物根际最丰富和最常见的真菌门。他们的研究得出结论，自然环境中的微生物群可以明显地受到农业生态系统的影响。例如，在农业生态系统中，微生物群落多样性的主要驱动因素是农业活动，其次是环境条件、土壤类型和植物物种，而在自然生态系统中，主要是生物相互作用、植物物种和植物多样性在调节微生物群落中发挥相关作用。 生物因素也可以影响植物-微生物群动态。例如，植物可以根据其发育阶段进行特定的相互作用。相互作用的组织或部分类型包括根(根际)、茎或叶，以及植物的内部区域(内层)或外部/表层(叶际)区域。此外，Chaparro等人报道了拟南芥根际微生物群落因其发育阶段( 幼苗期、营养期、抽薹期和开花期 )的不同而不同，某些门如酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、蓝细菌(Cyanobacteria)和特定属与根系分泌物类型呈极显著正相关。他们的研究表明，植物会根据其发育阶段分泌出不同的化合物，反之，这些化合物有助于植物形成特定的微生物群。Bai及其同事的研究表明，拟南芥叶片微生物组与根际微生物组不同，但在400多个被分析的基因组中存在很大的功能重叠。这表明，两个生态位的微生物群落在与植物相互作用时可能发挥类似的功能，尽管不是在物种多样性的水平上。多种细菌(革兰氏阳性菌或革兰氏阴性菌)，如假单胞菌属(Pseudomonas spp.)和芽孢杆菌属(Bacillus spp.)的多种植物促生菌株都能发挥类似的有益作用。 2.2 从有益到致病的相互作用 植物与其微生物群之间的相互作用可以发生显著的变化，即它们可以从中性或共生状态过渡到致病状态。Newton等人综述了在少数植物生物(如细菌或真菌)中引发发病状态的某些因素。例如，作者强调了养分需求和环境条件的重要性，或者简单地暴露于宿主可以将互惠生物转化为寄生菌/病原菌。特别是，黑胫果胶杆菌(Pectobacterium atrosepticum)可以通过与植物宿主的相互作用从共生生物转变为病原菌，或者类似于条件致病菌丁香假单胞菌(Pseudomonas syringae)，其感染能力依赖于群体感应。同样，某些植物物种比其他植物更容易受到某些条件致病菌的攻击，这取决于它们的化学防御和免疫反应，以及相关的微生物群本身刺激宿主的防御并帮助保护宿主植物。 3 植物招募微生物群 植物是固着生物，与可以寻找新的相互作用的迁徙动物相比，植物被限制在与周围的生物联系。 然而，一些植物的后代通过种子传播机制或生殖结构在新的区域定殖来实现这一点。有些种子在找到合适的发芽条件前可以传播很长一段距离，而一旦种子萌发，它们就通过根(根际)与土著微生物群相互作用。植物的空中区域(叶际)也容易被微生物定殖，这些微生物通过空气到达植物组织，如叶、茎、花和果实。此外，植物有一个被称为内层的内部区室，其易于被根际和叶际微生物定殖。因此，微生物与植物的相互作用(或招募)发生在三个主要区域：根际、叶际和内层。
3.1 在根际招募
根的活动可改变微生物的活动，以及周围土壤或根际的理化性质。根际被定义为土壤中受根系分泌物影响的狭窄区域，是数千种微生物的栖息地，包括细菌、真菌、卵菌、病毒和古菌，以及少量其他大型生物(如线虫或昆虫 ) 。这些微生物可以通过植物的根与植物相互作用，根不仅可以作为土壤锚定系统，还可以感知和传递非生物元素。其中一些非生物因素以前已经被描述过。植物通过种子(内生菌库)或插条、鳞茎、根茎或匍匐茎的种植，开始招募或“召唤”来产生自己的微生物群。已知这些结构包含从母体植株(包括种子)垂直遗传而来的多种内生微生物。 与成熟植物相比，内生细胞的数量可能较少；根出现并与非根际土壤微生物群相互作用，形成根际，根际分泌物首先吸引相关微生物群。分泌物含有氨基酸(即α-丙氨酸、β-丙氨酸、γ-氨基丁酸、α-氨基己二酸、精氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、瓜氨酸、胱硫醚、半胱氨酸、胱氨酸、 脱氧麦根酸 、3-epihydroxymugineic、谷氨酰胺、谷氨酸、甘氨酸、组氨酸和高丝氨酸)、糖类(阿拉伯糖、果糖、半乳糖、葡萄糖、麦芽糖、甘露糖、各种成分粘液、寡糖、棉子糖、鼠李糖、核糖、蔗糖、木糖、脱氧核糖)、生长因子和维生素(对氨基苯甲酸、生物素、胆碱、肌醇、N-甲基烟酸、烟酸、泛酸、吡多醇核黄素、独脚金内酯、硫胺素)、脂肪酸(亚油酸、亚麻酸、油酸、棕榈酸、硬脂酸)、有机酸(乙酸、乌头酸、抗坏血酸、醛酮酸、苯甲酸、丁酸、咖啡酸、柠檬酸、香豆酸、 赤酮酸、 阿魏酸、甲酸、延胡索酸、戊二酸、乙醇酸、乳酸、乙醛酸、苹果酸、丙二酸、草酰乙酸、草酸)和其他化学诱导物。此外，一些分泌物如类黄酮、柠檬酸、苹果酸、草酸香豆素、苹果酸、亚麻荠素、苯并恶嗪类化合物，甚至乙烯，都可以是特定分类单元的招募者。 在一定的环境胁迫条件下，如磷或铁的限制下，一些植物倾向于增加柠檬酸、苹果酸或草酸的分泌，以丰富根际有机碳，吸引有益微生物。Kost等人发表的一项研究证实了这一假设，该研究报告称，有益菌伯克霍尔德菌属(Burkholderia)物种与其将草酸盐作为碳源的能力之间存在严格的关联。有趣的是，作者在分析Burkholderia属的其他物种时 ( 如B. glumae和B. plantarii)，它们被表征为植物致病菌，甚至是人类条件致病菌(如Burkholderia cepacia)， 它们无法降解草酸。因此，草酸营养或利用草酸盐作为碳源的能力与有益菌株 B. phytofirmans PsJN在羽扇豆(Lupinus albus L.)和玉米(Zea mays)的定殖能力密切相关。最后，oxc基因缺陷突变体在羽扇豆和玉米幼苗的早期定殖过程中受损，证实了草酸营养在植物定殖中的作用，同时也证明了某些根系分泌物选择性地有利于有益微生物群。 相同关联菌群及其挥发性有机物(VOCs)等多种因素影响植物根系分泌物的多样性。例如，最近的一项研究表明，接种植物根际促生菌(PGPR)Bacillus amyloliquefaciens GB-03可刺激番茄植株中挥发物(即β-石竹烯)的产生，这些挥发物可被邻近植株感知。通过检测这些VOCs，“接收”植物改变其根系分泌物(即水杨酸)的产生，进而改变根际微生物群。有趣的是，接收植物和发散植物的根际微生物群落表现出广泛的相似性。这是首次证明微生物诱导植物挥发物(MIPV)参与产生改变(和同步)邻近植物根际相关微生物群落的信号的研究。 相反，根据植物周围的土壤类型和土著微生物群，可以形成特定的根际微生物群(以及种子微生物群)。特别是，植物招募相关微生物群的能力可以受到土著微生物群的限制。Bakker等人证实了这一点，他们观察到微生物群落的形成是动态的，在很大程度上取决于土壤类型和玉米植株中资源的输入(分泌物和碳含量的混合物)。同样，在四种土壤类型(沙壤土、粘土1、粉壤土和粘土2)的微生物群落中，某些微生物群落对养分有效性的变化更敏感，从而降低了其多样性，而其他微生物群落能更好地应对养分有效性的变化。据报道，某些添加剂(如阿魏酸)刺激了黄瓜(Cucumis sativus L.)少数菌门的丰度，并降低了其根际微生物群落(细菌和真菌)的多样性。
此外，植物物种可以特定地与某些微生物群相互作用。例如，豆科植物分泌酚类化合物(如黄酮类化合物和异黄酮)，可诱导固氮共生细菌(主要为根瘤菌)中结瘤(nod)基因的表达。根瘤菌产生结瘤因子，即脂寡糖，其作用是诱导植物根系发生一系列生理变化，进而形成固氮结瘤。某些根瘤菌物种和豆科植物(例外情况除外)之间的这种相当特殊的通讯发生在大约7.5-8千万年前。这类共生和极为特殊的相互作用的几个例子是菜豆属(Phaseolus spp.)(如刀豆)的根瘤菌(Rhizobium spp.)、苜蓿属(Medicago)(如紫花苜蓿)的中华根瘤菌(Sinorhizobium spp. )、百脉根属(Lotus spp.)(如莲花、鹰嘴豆)的中慢生根瘤菌(Mesorhizobium spp.)，以及 大豆属( Glycinespp.)(如大豆、豇豆)的慢生根瘤菌(Bradyrhizobium spp.)。根瘤菌在植物根内的内共生表明真菌(如丛枝菌根真菌)和共生变形菌在植物中有一个共同的信号通路，被称为共同共生通路(CSP)。最近，Genre和Russo评估了至少10种蛋白质的作用，如甲羟戊酸生物合成途径中的关键酶HMGR1(3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶1)，以及SYMRK(共生受体样激酶)和CCaMK(钙-钙调素依赖性蛋白激酶)等激酶，它们参与植物与根瘤菌和球囊菌互惠共生的共同信号通路，即所谓的CSP。 然而，最近对水稻的研究表明，该植物对固氮弧菌属(Azoarcus sp.)的内生定殖做出反应，诱导代谢变化和Ca2+依赖性信号传导，而无CSP。这进一步强调了植物-内生细菌相互作用和识别的特异性。同样，Liu等人最近发现大豆植株 ( Glycine max)的基因型在构建根际微生物群落中也很重要。无论土壤类型如何，均发现了丰富的特定细菌属，如根瘤菌(Rhizobium)、新鞘脂菌属(Novosphingobium)、苯基杆菌(Phenylobacterium)、链霉菌(Streptomyces)和类诺卡氏菌(Nocardioides)。最后，他们的结果预测了大豆根际土壤类型和基因型之间的聚合代谢能力，以及与外源生物降解、植物-微生物相互作用和养分转运相关的途径。Micallef等人的研究表明， 植物年龄 和基因型影响模式植物(如拟南芥)根际细菌群落的演替进程。综上所述，该研究结果表明，植物发育过程中分泌物变化是高度特异性的，并依赖于基因型，表明某些通讯过程的局部性和独特的协同进化，这是由于拟南芥及其特有微生物群的加入而发展起来的。Son等人最近的一项研究涉及拟南芥突变体的筛选，其中识别的FERONIA(RES)受体激酶突变体(fer-8)“允许”荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)在根际富集。有趣的是，fer-8突变株根中显示出活性氧(ROS)的基本水平，这表明在这些条件下，假单胞菌通过增加其丰度来利用这一优势，从而得出结论，fer-8介导的ROS产生调节根际微生物群落中有益假单胞菌的水平。荧光假单胞菌因其直接和间接促进植物生长的功能而广为人知；因此，这项工作提供了一种在根际传播和招募有益细菌的新方法，并可能促进内生菌定殖。
3.2 根际微生物群落的 连续构象
根际是一个动态的生态系统，由于其微生物多样性和内部发生的复杂相互作用(如养分和空间的竞争，抗生素存在下的生存以及塑造群落结构的其他活动)而具有挑战性。某些演替研究显示出对确定某些植物物种在重塑土壤微生物群落中的作用的兴趣。最近，Sun等人的研究表明了先锋植物的重要作用及其对我国铜尾矿根际和非根际土壤细菌群落多样性和结构的影响。利用Illumina MiSeq测序进行分类学分析表明，α变形菌门(Alphaproteobacteria)、δ变形菌门(Deltaproteobacteria)、绿弯菌门(Chloroflexi)、酸杆菌门(Acidobacteria)和芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)在根际和非根际土壤中的相对丰度显著增加。相比之下，γ变形菌门(Gammaproteobacteria)和厚壁菌门(Firmicutes)在裸尾矿中富集，其中芽孢杆菌(Bacillus)、假单胞菌(Pseudomonas)和 乳球菌( Lactococcus)占总细菌群落的63.04%。 同样，Shi等人通过16s rRNA基因测序分析了一年生禾本科植物野燕麦(Avena fatua)在两个生长期根系发育期间土壤细菌群落的演变响应。结果如下：采用分类学和系统发育分析，发现野燕麦的根引起根际细菌群落构象的连续变化，其特征是通过降低Acidobacteria、放线菌门(Actinobacteria)和Firmicutes的相对丰度来降低其整体多样性；在其他情况下，植物根系选择性地刺激细菌类群的相对丰度，如α变形菌(Alphaproteobacteria)、β变形菌(Betaproteobacteria)和拟杆菌(Bacteroidetes)。 最近进行的另一项研究涉及种植现代和野生番茄基因型( Solanum lycopersicum var. Moneymaker(现代)和野生近缘S. pimpinellifolium LA1578)，两种基因型之间微生物组的组装不同，并且这些差异随着时间的推移显著放大。作者分析了番茄根际微生物组的一些核心属，发现野生番茄根际微生物组中Acidovorax、Massilia和Rhizobium的丰度增加，而现代番茄根际微生物组中Pseudomonas的丰度增加。
总之，这些结果表明并证实了植物微生物组的组装动态，以及某些细菌类群可能被选择的事实(即从非根际土壤中选择有益微生物)，而植物基因型起着另一个选择因素的作用。图2说明了在植物生长的不同时期(即农业生态系统)植物微生物群的招募动态。
图2 潜在农业生态系统中两个植物生长阶段的植物微生物招募动态。
初始阶段，非根际土壤多样性较高；然而，播种促进了有益微生物群的招募，其中可能包括一些类群，生物多样性下降。从根际招募的微生物群也可以在内层定植，并传播到其他植物组织，如空中区域。植物叶际也容易招募新的微生物群成员。一旦第一个阶段农业生产结束，土壤就可以通过有机质输入、作物轮作等恢复其生物多样性。在第二个阶段，植物可以拥有由水平遗传的内生细菌组成的微生物群，其特征是长期关联或者是植物宿主的核心微生物群的一部分。此外，植物还可以招募根际和叶际的其他成员。参见文本中支持说明的参考文献。
4 内层定殖
植物可以从地上或地下招募微生物。如前文所述， 根际沉积物 从根本上影响根际微生物群的逐步招募。在植物根系从根际招募内生微生物的方法方面，Edwards等人的工作取得了重大进展。通过在温室或田间不同实验条件下以及在各种植物模型中进行的详细分析，作者检测到在3个相互作用根区的微生物组成的逐渐变化：根际(靠近根表面并受其影响的土壤)、根面(根表面)和内层(根内部)。结果观察到根、根际、根面和内层3个微生态系统中的微生物群组成呈逐渐变化趋势。这项研究与两步模型一致，尽管存在某些变化，其中土壤非生物特性(第一步)和植物根际沉积物(第二步)是从根际过滤（和招募）某些微生物多样性的选择性因素。这个模型最近在野生番茄植株和驯化品种上进行了测试，表明微生物组可以受到植物驯化权衡的影响。 一旦根际微生物群通过根面并穿透根组织，这些内生菌就有机会在其他植物区室中定殖。这一过程包括穿过植物的维管系统，到达气生组织(如茎或叶)，以及花和果实(一旦植物进入这些发育阶段)。位于地下并与土壤微生物群密切接触的根际，也可能包含意想不到的进入根内部组织的区域，如根部伤口或裂缝，这可能不需要穿透组织。相反，想要进入的根际细菌必须在根际表现出更活跃的定殖决定因素，除产生抗氧化酶外，还具有水解植物宿主细胞、产生生物膜以更好地附着、具有运动性、群体感应、合成抗生素以取代其他竞争者等特性。虽然根际细菌和内生细菌之间不存在明显的遗传差异，但已发现一组编码上述功能的基因。 一项开创性研究，通过比较九种内生菌的基因组，提出了根际细菌和内生菌之间的某些差异，包括 Burkholderia phytofirmans PsJN、Burkholderia spp. strain JK006、Azospirillum lipoferum 4B、Enterobacter cloacae ENHKU01、Klebsiella pneumoniae 342、Pseudomonas putida W619、Enterobacter spp. 638、Azoarcus spp. BH72和Serratia proteamaculans 568。 作者发现了大约40个与内生菌行为相关的基因，如转运蛋白、分泌和传递系统、解毒和氧化还原维持潜力、植物聚合物降解以及其他转录调节因子。不幸的是，几十年来，只有少数基因被确定为内生菌定殖和存在的重要因素。然而，一些重要的研究以前已经评估过。例如，Meneses等人在固氮细菌Gluconacetobacter diazotrophicus的gumD基因中产生突变体，以生产产生生物膜和水稻植株内生菌定殖所需的胞外多糖。同样，在同一细菌物种中，Alquéres等人研究了内生菌定殖过程中谷胱甘肽还原酶(gr::Tn5)和超氧化物歧化酶(sod::Tn5)的相关活性。在固氮弧菌属菌株BH72中，pilA和eglA的突变分别影响蹭行运动和内切葡聚糖酶活性，被认为是水稻根系内生菌定殖的必要条件。此外，Buschart等人的研究产生了包含三个fliC基因拷贝的突变体，该基因编码主要的结构蛋白——鞭毛蛋白。然而，只有fliC3拷贝是功能性的，是运动所必需的，并且与水稻根系有关。在fliC3突变体中，水稻根系的内生菌定殖显著减少。有趣的是，根际其他活动（如根表面微菌落的建立）并未受影响，这进一步证实了其在内生菌生命周期中的重要作用。 相反，根际细菌Pseudomonas fluorescens PICF7中影响泳动能力(fliI)或 铁载体 pyoverdine产生(pvdI)的突变株，以及油橄榄(Olea europaea L.)根部兼性内生菌的内生定殖能力与野生菌株PICF7无显著差异。因此，这些特征被认为与该菌株的内生生活方式有关。然而，作为兼性内生菌，它揭示了某些功能(如运动)可能与其他非兼性内生菌相关。因此，在Azoarcus olearius BH72中，运动等机制与水稻的内生菌定殖有关，不会诱导植物防御(即细菌分子组分或MAMPs)。最近，Azoarcus sp. CIB菌株内生定殖水稻植株时，运动活性和c-di-GMP产生的重要性已被报道。此前，通过转录分析也证实了c-di-GMP在 固氮弧菌属 物种内生生活方式中的重要作用。有趣的是，细菌中c-di-GMP参与调节胞外多糖、粘附素的合成和生物膜的形成。如前文所述，这些功能调控各种机制，包括菌落形态、群体感应过程、细胞运动、结瘤和毒性。
4.1 植物防御反应和激素在控制内生菌定殖中的作用
通过模式识别受体(PRRs)识别 病原体相关分子模式(PAMPs) 是识别入侵病原菌的主要机制之一。植物还可以从微生物相关分子模式(MAMPs)中检测到包括细菌在内的其他非致病性微生物，这些微生物通过其固有免疫系统调节植物的防御反应 。 这些 PRRs 是第一个识别过滤器，第二个是细胞内免疫受体，也被称为NOD样受体(NLR)。这些受体直接或间接识别宿主细胞内病原菌分泌的毒力效应因子，从而诱导效应因子触发免疫(ETI)。 虽然 植物对这些微生物识别机制的研究已经取得了相当大的进展，但在拟南芥和水稻中对PRRs的研究还比较少，其他植物模型还有待进一步研究和比较。 MAMPs等系统可以单独识别和检测定殖微生物，这些微生物试图与其宿主植物形成有益的联系。其他活性成分包括水杨酸(SA)、茉莉酸(JA)、脱落酸(ABA)和乙烯(ET)等植物激素，它们可能与防御功能有关。一般来说，SA对非生物刺激、活体营养和半活体营养生物之间的相互作用有反应，诱导植物产生防御反应，称为系统获得性抗性或SAR。相比之下，JA/ET是一种可选择的植物通路，其响应有益生物的相互作用，如PGPBs。然而，一些研究观察到绿僵菌(Metarhizium,一种昆虫病原真菌)处理的玉米(Zea mays)植株中SA和JA含量的浓度变化，这与已知SA和JA/ET通路相关的植物反应相对应。 Sheoran等人的另一项研究提到，内生细菌Pseudomonas putidaBP25能够改变根结构，并利用SA作为调节拟南芥内生菌定殖的 反馈回路 触发信号传导。同一研究团队先前报告了BP25菌株的有益特性，例如可产生挥发性化合物，抑制植物病原菌。此外，Lebeis等人在拟南芥Col-0植株的免疫系统中利用突变体，观察到SA在某些细菌类群的选择和根系微生物群(包括定殖于根际和内层的细菌)的构建中发挥着重要作用。作者还报道了内生群落不如根际生物丰富。有趣的是，在添加或不添加SA的培养基中，一些属的分离株(如Terracoccus sp.、Streptomyces sp.和Mitsuaria sp.)的细胞密度受到调节。 最近，Chen等人发现了矛盾的结果，他们观察到JA（而不是SA）是限制有益内生菌Azoarcus olearius BH72在水稻中内生定殖的通路，而病原菌Xanthomonas oryzae pv. oryzae PXO99仅在根部诱导对SA通路的反应。与预期的一样，PX099菌株诱导的防御反应明显高于非致病性菌株BH72。有趣的是，这两种内生菌都诱导参与植物抗毒素生物合成、ROS产生和致病相关蛋白(PR)等编码多种酶的基因的表达。为了阐明这两种内生菌的具体反应途径，我们使用了茉莉酸合成缺陷的水稻突变株cpm2和介导SA反应的NPR1(通过RNAi)。结果发现，只有BH72增加了其在cpm2中的内生菌定殖，而PX099不受影响。作者认为 JA通路 调控了植物与有益内生菌的选择性相互作用，调节其有益微生物群。 相反，ET是一种气态植物激素，它参与植物的其他反应，如衰老或果实成熟。在较低的浓度下，其可以作为种子萌发、植物根系伸长、叶片和根原基形成以及开花起始的信号。此外，当植物遭受不同的非生物或生物胁迫（例如病原菌攻击）时，ET会作出反应或增加其水平。因此，降低其在胁迫下的水平对于维持植物生长和健康很重要。为了达到这一目的，植物还可以与 1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)脱氨酶 产生菌结合。ACC脱氨酶通过水解ACC(ET合成的前体)产生α-酮丁酸和氨，降低植物中的乙烯水平，因此被广泛研究。据报道，根际、内层和叶际中的多种细菌都有这种功能，有助于植物在逆境条件下降低乙烯水平，促进其生长。就具有农业价值的植物而言，已经观察到以ACC产生菌为基础的生物肥料的应用增加了作物的产量和保护。
5 到达叶际
叶际是一种与根际和内层明显不同的生态系统。对于那些“渴望”与宿主建立长期联系的微生物来说，这可能是最具挑战性的栖息地。这是由日照、紫外线、剧烈的温度变化、雨和风等非生物因素造成的。此外，对于附生生物来说，相对较新的微生物群必须与原有的和完善的生物群争夺空间和养分。因此，到达根际的外来微生物必须在极端胁迫状态下具有恢复能力。然而，在某些主要被研究的细菌中，某些决定因素，如胞外多糖、生物膜和/或粘附化合物、鞭毛、抗生素、生物表面活性剂化合物、自由基解毒蛋白(过氧化氢酶和超氧化物歧化酶)、多功能代谢和群体感应信号分子，据报道有助于其在栖息地(如根际或内层)定殖，也可以在叶际定殖中发挥重要作用。相比之下，附生细菌产生的色素显示出一种防紫外线辐射的保护机制，这是附生生活方式中生存的必要条件。Jacobs等人在番茄溃疡病菌(Clavibacter michiganensis)色素(橙色、奶油色和粉色)合成中使用突变体，与野生菌株相比，番茄溃疡病菌对太阳紫外线辐射(UVR)非常敏感，叶片存活率较低。 植物叶际是地球上最丰富的区域或生态系统之一。 一些数据表明，以全球叶面积衡量，这种环境可达5亿多平方公里。这些栖息地被认为是非常丰富的，因为每平方厘米的叶子表面可以容纳106到107个细菌细胞。Vorholt的一篇综述中提到，叶际可以是多样的，其中变形菌门(Proteobacteria，alpha、beta和gamma)、放线菌门(Actinobacteria)和拟杆菌门(Bacteroidetes)是水稻、三叶草、大豆和拟南芥中最丰富的类群。然而，这四种植物模型之间也存在差异，因为农杆菌属(Agrobacterium)、甲基杆菌(Methylobacterium)(Alphaproteobacteria)和分枝杆菌(Mycobacterium)(Actinobacteria)是水稻植株中常见的附生菌，而Pseudomonas是大豆、三叶草和拟南芥中常见的附生菌。这些数据基于MG-RAST获得的微生物群落宏基因组中预测蛋白质编码和rRNA基因的读长。
5.1 允许/限制叶际微生物群落建立的植物驱动因子
迄今为止，考虑到植物激素作用的植物免疫系统和信号通路，以及其他决定因素，可以成为促进根际和内层等生态系统中特定微生物群落密切相互作用和选择的因素。而植物空中区域的防御系统可以以系统化和局部化的方式发挥作用。因此，一些作者(如Schlechter等)建议“有必要在 微分辨率上 研究细菌群落，以更好地理解这种影响(植物的免疫反应)，这是一种与群落成员相关的尺度。”存在于植物叶片表面的微环境可以在微米水平上定义。因此，有人认为植物拓扑结构和植物化学可能会影响特定微生物群的招募。 显微分析表明，绝大多数细菌细胞可能位于由植物细胞表皮或外质体连接形成的沟槽中，水和某些营养物质可以在这些沟槽中流动，作为微生物群的储备。其他结构(如静脉、气孔、毛状体和导管的存在)也可以改变营养物质的有效性(糖类，如果糖和蔗糖)。因此，叶片中可能存在局部性和系统性反应。植物利用内部免疫受体识别特定的细菌效应物，从而产生效应因子触发免疫(ETI)，能够检测和区分潜在病原菌的存在。这些免疫反应位于相互作用(或感染)部位，引起钙离子(Ca2+)和MAP激酶的早期进入，并激活钙依赖性蛋白激酶。除了细胞死亡外，这种级联信号随后包括胼胝质沉积和气孔关闭，以抵御病原菌。 如上所述，某些因素可以成功地在叶际等环境中定殖。然而，随机事件也会影响植物微生物群的组成。Maignien等人在分析来自16S rRNA基因高变区的26万多条序列时，他们在73天内对32个植物样本和21个空气样本的叶际细菌群落结构进行了表征。结果证实，除了生态演替外，随机变异还影响与拟南芥叶际微环境相关的细菌群落的组装。正如前面提到的，植物叶际微生物群落可以被驻留在空气中且来自根际的微生物定殖。 在对拟南芥叶际真菌和细菌群落的广泛研究中，发现宿主基因型也是决定某些微生物群存在与否的一个贡献因素。这一结果是通过全基因组关联研究(GWAS)获得的，该研究揭示了某些负责防御、激酶相关活性和细胞壁完整性的基因(包括多糖纤维素、胼胝质和果胶)影响群落变化。 一项有趣的研究中提到，海洋植物叶际中 O 2的可用性被认为是影响微生物群结构的重要因素，其调节附生生物膜中发生的微生物代谢过程。虽然O2在陆地环境中是可用的，但其他气体(如CO2)会影响水稻叶际(和内层)的多样性。然而，在环境污染程度较高(CO2或其他气体)的地区，观察它们对常驻植物叶际定殖和微生物活动的影响将是一项有趣的研究。
6 植物微生物群有助于招募其他有益微生物吗？
植物微生物群为植物提供不同的服务，如保护植物免受病原菌侵袭、促进植物生长，提高植物对不同非生物胁迫的抵抗力。然而，很少有报道说明相关微生物群在招募新成员为植物提供有益服务方面的有益作用。评估这一假设的一种方法是通过分析微生物菌剂在根际、内层或叶际的接种情况，并观察微生物组成的重排；因此，与那些之前未接种过“微生物菌剂”的植物相比，将间接观察到微生物菌剂对植物健康、生长或适应性的改善。 Zhang等人通过两个季节的田间试验观察到，PGPR Bacillus velezensis NJAU-Z9预接种辣椒幼苗可诱导根际微生物群组成的变化。这种预接种显著增加了细菌属(如Sphingomonas、Sphingopyxis、Bradyrhizobium、Chitinophaga、Dyadobacter、Streptomyces、Lysobacter、Pseudomonas和Rhizomicrobium)和真菌属(如Aspergillus、Cladorrhinum和Cladorrhinum)的丰度。同样，与未接种植株相比，预接种NJAU-Z9的移栽苗可分别显著提高11%和24%的辣椒产量。另一项研究也表明， 根瘤内生菌 Agrobacterium sp. 10C2影响菜豆(Phaseolus vulgaris)根际细菌群落的丰富度和结构。接种也能诱导植株结瘤和生长。相对丰度增加的细菌类群主要来自芽孢杆菌属，如Bacillus licheniformis、Bacillus pumilus、Bacillus senegalensis、Bacillus subtilis、Bacillus firmus和Paenibacillus koreensis，这些芽孢杆菌已被广泛报道为PGPB。 此外，对于调节植物有益菌群的有益菌剂，它们的存在或被病原真菌感染可引起微生物群的变化。在某些情况下，植物检测到病原菌的存在(通过未知的机制)，并增加有益内生菌群的数量，帮助保护宿主。Carrión等人的研究证明了这一点，他们在甜菜幼苗中接种了Flavobacterium和Chitinophaga内生菌群(之前通过其种群增加和刺激来确定)，在病原菌立枯丝核菌(Rhizoctonia solani)存在的情况下，该组合也增加了植物保护。SolísGarcía等人的另一项研究也表明，病原菌Phytophtora oomycete可引起鳄梨植物疾病，并改变根际微生物群。有趣的是，根腐病增加了PGPB菌Pseudomonadales和Burkholderiales的比例，而其他条件致病菌如被孢霉属(Mortierella sp.)、镰刀菌(Fusarium spp.)、毛双孢属(Lasiodiplodia sp.)和革节孢属病菌(Scytalidium sp.)的丰度也增加。以前接种一个、两个或整个微生物群也可以阻止病原菌在植物根际建立或定殖，包括那些引起人类疾病的病原菌，如大肠杆菌(E. coli)。 以往的研究表明，独特物种的接种可以改变整个植物微生物群，即它们刺激某些属的丰度，这可能也会产生直接或间接的机制，影响植物的生长和保护。然而，它们如何刺激其他有益类群的存在仍是一个问题。某些新的证据可能来自于物种之间的协同作用，如Baas等人的研究表明，通过接种溶磷菌群，其中包括Comamonas testosteroni、Pseudomonas putida、Enterobacter cloacae和Citrobacter freundii，作物生长和生产力比未接种的栽培作物提高了一倍。受益于该组合的栽培作物有冬小麦(Triticum aestivum)、羊茅(Festuca arundinacea)、辣椒(Capsicum annuum)、圣女果(Solanum lycopersicum)和罗勒(Ocimum basilicum)。 另一项关于PGPB之间有益相互作用的研究发现，苏云金芽孢杆菌(Bacillus thuringiensis)和荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)菌株可以进行物理相互作用，从而增加和/或协同刺激绿色番茄(Physalis ixocarpa Brot. ex Horm.)的生长。
值得注意的是，即使是单个PGPB中的某些PGP机制也能表现出协同作用，以刺激盐胁迫条件下番茄植株的生长，如PGPB Pseudomonas sp. UW4中ACC脱氨酶和海藻糖的产生。然而，也有其他研究，通过微生物菌种或菌群接种提高了不同栽培作物的生长或产量，但未评估其对植物微生物群的影响，其影响尚不清楚。因此，建议将这种分析与新的生物接种剂相结合，以了解与其他微生物群的有益相互作用是否也能使植物间接受益。 微生物通讯在促进某些植物微生物类群的丰度方面起着重要作用。群体感应(QS)分子，如N-酰基高丝氨酸内酯(AHL)在这种通讯中起着重要的作用，可调节和感知环境(如根际)中的细菌种群。同样，植物也能感知AHL，并产生不同的信号或防御途径。虽然Rodriguez等人提到AHLs也是由病原菌产生的，但这些分子并没有为植物提供足够的信息来提供防御反应信号，但它们确实表明“QS分子的组合和浓度可能表明微生物组成不平衡。” Orozco-Mosqueda等人、Velázquez-Becerra等人、Martínez-Cámara等人的研究也报道了其他与AHL功能类似的信号分子。这些研究已经鉴定和表征了挥发性分子，如二甲基十六烷基胺由Arthrobacter agilis UMCV2产生，其可能在植物根际或内层与其他有益类群的通讯中发挥重要作用，因为该分子具有抗真菌作用，并调节其他细菌的生长和集群运动，以及其他刺激植物生长和营养的活动。然而，微生物群落在植物根际或内层的调节作用尚不清楚。 其他参与微生物通讯的分子是脂多糖，它在有益细菌中已被广泛研究，其功能多样，如刺激植物生长、生物膜功能、与环境通讯、微生物之间的识别和抵御病原菌。了解Bacillus velezensis NJAU-Z9或Agrobacteriumsp. 10C2等突变菌株在多糖合成中是否增加根际等环境中有益类群的丰度和多样性，这一点很重要。
6.1 限制有害微生物的招募
微生物群不仅可以帮助植物招募其他有益微生物，还可以限制其他微生物的进入，如潜在的病原菌。某些微生物抑制生长的机制主要是抗生素作用。例如，假单胞菌属的PGPB产生吩嗪-1-羧酸、吩嗪-1-甲酰胺、2,4-二乙酰基间苯三酚、藤黄绿脓菌素、吡咯菌素、挥发性氰化氢和二甲基二硫醚(DMDS)等化合物。此外，PGPB还能合成降解植物病原真菌膜的裂解酶，如葡聚糖酶或纤维素。此外，芽孢杆菌物种可以通过产生脂肽（如芬荠素、表面活性素和伊枯草菌素）来抑制病原菌的生长。与植物宿主相互作用的其他有益机制，如木霉菌(Trichoderma)除了产生抗生素外，还可以通过物理机制、占据空间来限制植物根际的生长。一般而言，根际、内层和叶际等不同微生态系统的植物微生物群提供多种植物保护服务，避免了与宿主的有害交互作用。 显然，在微生物与微生物的相互作用、植物社会网络以及理解有益植物微生物群的某些刺激菌株如何实现这一功能方面仍有很大的空白。因此，有必要进一步研究调控这些功能的因素，包括重要的非生物因素，如pH和土壤类型、盐分，甚至根系分泌物类型。图3显示了几种非生物和生物因素影响植物微生物群落进入3个不同的相互作用区域：根际、内层和叶际。
图3 调节微生物群招募和与植物相互作用的各种因素。
缩写：病原体相关分子模式(PAMs)；微生物相关分子模式(MAMPs)；系统获得性抗性 (SAR) ；诱导性系统抗性(ISR)；N, N-二甲基-1-十六烷基胺(DMHDA)； 吩嗪-1-羧酸 (PCA)；二甲基二硫醚(DMDS)；2,4-二乙酰基间苯三酚(DAPG)；氰化氢(HCN)。
结论和观点
植物-宿主相互作用，无论是有益的还是致病性的，都很复杂，涉及到影响最终关联类型的各种刺激和联系。特别是，植物如何招募有益菌群/微生物组，以及它们如何将有益菌群与想要感染它们的病原菌区分开来，这无疑需要不同的方法(生物化学、微生物学、显微、组学技术等)来识别分子、代谢物、相互作用网络、信号通路、基因以及招募相关微生物的物理相互作用。此外，绝大多数的植物-宿主相互作用分析使用模式植物，如拟南芥(具有不可否认的遗传优势)；然而，缺乏其他重要农业植物物种的研究数据。此外，已有超过30万种植物被提出存在于世界各地，这些植物可能具有广泛而多样的相互作用和招募相关微生物群落的方式。
因此，未来的研究需要为分子相互作用和有益生物的招募提供新的见解，这些有益生物的功能在自然生态系统中仍然是未知的。 最后，不同的农业系统应该考虑将有益微生物的使用作为可持续农业实践的必要条件。例如，播种前在种子中接种微生物菌剂或菌群应被视为一项常规操作。一些地区使用化肥或杀菌剂(如克菌丹或苯菌灵)来避免植物随后被病原菌感染。然而，这些农药对环境、人类和动物健康造成的附带损害已被广泛记录在案。因此，微生物生物防治剂或生物刺激素的应用，将为农产品提供一个可持续的未来。
