生態進化視角的植物-微生物組互作研究進展

程賽賽 龔鑫 薛文鳳 萬兵兵 劉滿強 胡鋒

（1. 南京農業大學資源與環境科學學院 土壤生態實驗室，南京 210095；2. 江蘇省有機固體廢棄物資源化協同創新中心，南京 210095）

植物自定植于陸地以來便與微生物形成密切的共生關系［1］，這種共生關系所帶來的適應性價值存在于植物的整個進化史中［2］。對于植物來說，微生物可以擴大其宿主的基因組和代謝潛力，提供一系列基礎的生命支持功能，如促進植物生長［3-4］、發育［5］、免疫能力和抗逆性［6-8］，甚至提高其對植食者的防御作用［9-10］，涉及了全球變化和人類活動影響下植物和微生物相互關系的重要生態功能。植物和微生物的互惠、共生和寄生的多維度相互作用并非隨機產生的，取決于宿主植物的分類和功能性狀的組成［11］。植物的進化過程塑造著與微生物組生態相關的植物性狀，因而植物的基因組一定程度決定了其微生物組的組成和功能［12］；進一步，植物的進化軌跡也將反映在微生物組的組成和功能上［13］。

“植物微生物組”概念促進了植物進化方向的研究，其中逐漸興起的全功能體（Holobiont）理論框架認為，自然選擇壓力不僅僅作用于植物本身，而是作用于植物與其微生物組構成的功能整體［2］。植物全功能體概念揭示了植物與微生物合作伙伴之間良好的交流和互動能夠更好地促進整體性能［14］，是自然界中互惠關系的典范。一方面，植物通過不同的策略，如根系分泌物組成及植物免疫系統反應的特異性［15］，從而控制微生物群落的變化。另一方面，雖然植物在這個共生系統發揮著主導作用，但在這一受控系統內部的微生物組本身也是一個復雜而動態的群落系統，處于持續響應變化的狀態［16］。宿主植物控制下的微生物可通過調節自身代謝和宿主免疫系統進一步加強與宿主的互作。同時，這個系統中的微生物與鄰近的微生物也存在不同的如競爭和互惠等相互關系。因此，微生物群落不僅是由物種相互作用自下而上驅動的，而且宿主在強烈的選擇壓力下可自上而下地調控微生物群落的構成［16］。在探討植物-微生物組的進化關系時，有必要同時考慮宿主控制以及微生物組內部的相互作用。從生態角度來看，植物與微生物組的相互作用是驅動植物全功能體進化的力量；從進化角度來看，則是宿主與其微生物組構成的功能整體對環境適應的結果。

本文總結了植物-微生物組之間生態進化關系的研究進展。為了厘清這種進化相關的復雜性，將植物與微生物組的進化關系簡化為三類效應，每一類都有其對應的進化特征：（1）長期進化歷史的宿主系統發育與微生物組的相關性；（2）短期進化歷史的植物馴化與微生物組變異關系；（3）宿主約束下微生物群落系統的進化。詳盡無遺地總結現有的文獻超出了本文的范疇，因此重點探討根-土界面的根微生物組（根際和根內微生物組）與宿主的互作關系，并結合進化的影響和限制因素，探討如何利用生態進化知識來恢復農業系統中缺失的微生物性狀，從而有效地將植物-微生物組相互作用的進化軌跡整合至農業生產實踐中。

1 宿主系統發育對微生物組的影響

植物被具有影響宿主表型潛力的微生物所定殖［17-18］。在許多系統共生的研究中，宿主相關微生物的群落組成是由宿主和環境因素共同決定的，包括宿主物種分類、基因型和個體發育階段，以及宿主所處的生境類型和地理區位。由于物種繼承了祖先的遺傳物質和性狀，因此親緣關系密切的物種比進化距離遙遠的物種更可能共享性狀，這意味著植物調節與微生物相互作用的形態和化學性狀往往是系統發育保守的［19］。這種性狀保守性影響了植物-微生物生態學中的許多重要過程，因此，系統發育相關性有助于解釋植物-微生物組的相互關系。

已有研究證實植物物種的進化歷史與其相關微生物群落結構之間存在一致性關系［13，20-21］，即隨著宿主系統發育距離的增加，植物相關微生物群落結構的差異隨之增加（圖1）。最近在熱帶雨林中使用真菌病原體進行的植物葉片接種實驗表明，大多數真菌病原體具有廣泛的宿主范圍，但一種真菌病原體感染兩種植物的可能性隨著植物物種之間的系統發育距離而不斷降低［22］。這是一項針對葉片病原體在宿主范圍內系統發育信號的系統測試，這種宿主范圍內系統發育信號的推定，使得能夠預測當地群落中植物病原體可能侵染的宿主的范圍［22］。此外，利用自然土壤時間序列進行的研究表明，土壤因子是31種植物根系細菌微生物組的主要決定因素。然而，對植物相關細菌豐度進行的多因素統計分析顯示，根微生物組結構與宿主植物的系統發育具有顯著相關性，共有47個細菌屬與根系有關，主要包括慢生根瘤菌屬（Bradyrhizobium）、伯克氏菌屬（Burkholderia）、根瘤菌屬（Rhizobium）及其他未表征的菌類世系成員等［23］。這些植物跨越400萬年的進化歷史，包括石松綱、蕨類、裸子植物和被子植物，表明不同微生物組的構建是植物中一種古老的進化特征［23］。

一項利用跨越1.4億年進化歷史的30個被子植物物種進行的“同質園實驗”，研究了宿主植物在宏觀進化時間尺度上如何驅動根微生物組的構建，結果表明宿主物種差異對根內微生物組結構變異的解釋度高于根際微生物組。并且，對根內、根際微生物群落結構與宿主系統發育相關性的檢驗表明，根內微生物組的相似性隨宿主系統發育距離而逐漸降低，但這種系統發育相關性卻在根際微生物組中并不顯著［13］。有趣的是，不管宿主植物的系統發育如何，在被測植物中施加的干旱脅迫都導致放線菌門鏈霉菌科（Streptomycetaceae）在根內的顯著富集，表明根微生物組中的一些成員有利于協助宿主植物跨越廣泛的非生物脅迫。一致地，宿主系統發育的相關性與根內微生物的多樣性有關，而這種相關性在根際較弱。通過對禾本科（Poaceae）18個物種相關微生物組的比較分析獲得了相似結果，表明宿主系統發育距離（利用3個葉綠體基因序列確定）與根內微生物組的差異之間存在相關性，但并不總是與根際中的細菌多樣性相關［24］。此外，一旦這一組植物處于干旱脅迫下，在所有宿主的根內都發生了放線菌的顯著富集，并且這種富集在根內高于周圍的根際和土壤，表明干旱脅迫可能通過誘導細菌群落組成的保守轉換來削弱這種系統發育相關性［24］。

綜上，來自同一分類群的宿主植物傾向于顯示類似的微生物群落，如果考慮到這些植物分類群的起源，可以預期，宿主的進化史將影響許多決定其相關微生物群落組成的性狀［25］。此外，這些結果也表明微生物組與宿主的系統發育相關性是具有分室依賴性的（即根際或根內的系統發育相關性不同），并且可以被非生物因素迅速調節成一個適應脅迫的微生物組特征（如干旱條件下放線菌的選擇性富集）。宿主植物如何調控相關微生物組以應對環境擾動，以及這些微生物組的改變是否代表著宿主的環境適應，是理解宿主微生物組生態和進化重要性的關鍵。

圖1 宿主-微生物組構建的系統共生模式

2 植物馴化對微生物組的影響

植物馴化為人類提供了持續的食物供應，是穩定人類社會發展的關鍵驅動因素［26］。植物從自然系統向農業系統的進化過渡，對于產量和地上性狀的定向選擇，以及向高養分輸入和高密度選擇的農業環境的轉變，從而改變了根系的發育和生理生態功能，導致植物已經喪失了一部分在低養分投入環境中有效地獲取養分的根系和根際性狀［27-28］。馴化不僅改變了植物的表型，而且降低了植物的遺傳多樣性。因此，宿主驅動的植物招募和響應微生物互作能力的變化，以及環境驅動的選擇壓力對植物和微生物功能的綜合影響，都改變了宿主-微生物組的共同進化［29-31］（圖2）。

早期對于植物馴化的研究集中于對祖先、馴化品種或現代作物基因型在維持與菌根和固氮根瘤菌的共生之間的描述。例如，豌豆和蠶豆與共生根瘤菌的相互作用能力不如它們的野生親屬［32］。針對豆類植物“宿主制裁理論”（豆類植物通過碳分配對固氮能力不足的根瘤菌實施制裁）的研究表明，較老的品種在感染有效和無效的根瘤菌菌株混合物時比新品種更能保持健康。同時，當被不同固氮能力的根瘤菌感染時，人工選擇下的豆類植物對“劣質伴侶”的抵御能力明顯退化［33］。同樣，針對幾種作物菌根共生體的研究表明，小麥和玉米的原始地方品種比現代品種更能受益于菌根共生［34-35］。除了研究與根共生的微生物之外，Zachow等［36］揭示了野生甜菜比現代馴化甜菜具有更高多樣性的根際群落，雖然這兩種基因型植物的根際均以變形菌門（Proteobacteria）和浮 霉 菌 門（Planctomycetes）為主，但在野生甜菜根際還檢測到37.5%的優勢OTU［36］。有趣的是，野生甜菜根際對病原體具有拮抗活性的細菌比例低于馴化甜菜，但野生甜菜根際細菌表現出更強的應對非生物脅迫的潛力［36］。同樣，Coleman-Derr等［37］觀察到栽培種龍舌蘭根際和葉際的細菌及真菌多樣性低于野生種龍舌蘭，Bulgarelli等［38］發現大麥對根相關細菌群落的多樣性有顯著的馴化效應。在最近的一項研究中發現，野生菜豆根際微生物組包含較高的細菌豐富度，而馴化菜豆根際微生物組則主要以放線菌門和變形菌門的細菌家族為主［39］。這些大多數的研究結果均表明馴化過程使得植物微生物組的遺傳多樣性降低，并且植物與有益微生物的耦合能力存在一定程度下降，但野生親屬和馴化品種之間微生物組結構差異的機制仍未完全明晰。

植物從野生生態系統向現代農業單作模式的轉變，改變了作物根系對資源可利用性變化的動態響應、應對環境脅迫的能力，以及依賴根際微生物來循環和獲取土壤資源的能力［28，40］，這些都是在低投入系統中以生物為基礎的必要功能。植物馴化過程伴隨著生境變化和人為管理措施的干預，這種馴化的過渡可能導致了共同進化的有益微生物多樣性和功能的損失。例如，農業管理措施如耕作和施肥等，影響菌根共生體的進化穩定性［41］，隨著時間的推移使得植物與菌根共生體的合作能力下降［42］。長期施氮導致共生根瘤菌互惠主義者向合作較少的方向演替［43］，抑制了土壤呼吸和微生物生物量，促進了放線菌門（Actinobacteria）和厚壁菌門（Firmicutes）等富營養菌的發展，同時降低了酸桿菌門（Acidobacteria）和疣微菌門（Verrucomicrobia）等寡營養菌的豐度［44］。雖然大多數研究都指出馴化植物的微生物多樣性相對較低，但尚不清楚馴化過程中缺失或耗盡的部分微生物，是否構成野生植物在其原生生境中的微生物群落的一個重要功能組分。因此，采用“Back-to-the-roots”的方法［45］，探究土著植物與其原生生境微生物群落的關系，以確定互補的植物和微生物性狀，具有解開微生物組構建所涉及的機制以及將微生物組研究納入未來植物育種戰略的潛力［46］。

上述證據清楚地表明，在作物馴化過程中持續施加的人類選擇壓力干擾了植物的進化歷史，這些過程同時導致了植物和微生物遺傳多樣性的下降。田間作物的生長和發育往往依賴于化學肥料和其他農用化學品的外部投入，值得注意的是，這些外部投入也干擾了植物-微生物共生組合的建立［43，47］。因此在不同的農業景觀中，植物和微生物群落之間往往缺乏共同的進化軌跡。這就使得在農業系統中對宿主與微生物組的功能關系進行重新優化，恢復缺失的有益微生物性狀，將在維持作物生產力和健康方面發揮關鍵作用。

3 宿主約束下微生物群落系統的進化

植物微生物組的研究正在改變對于植物進化的理解，廣泛的證據支持植物與微生物組之間存在二元相互作用的共同進化關系。例如，植物-叢枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）網絡存在高度互聯和相互嵌套的模塊化特征，植物和AMF網絡相互關聯的非隨機模式受雙方系統發育參數的共同制約［49-50］。然而在植物上檢測到的高微生物密度，以及微生物相比于宿主更快速的世代時間，都表明微生物之間的相互作用是在宿主內塑造復雜微生物組結構的另一重要選擇力［51］。在進化相關的研究中通常強調的主題是一個物種對另外物種實施控制的重要性［16］，如宿主植物對微生物的控制包括自身免疫防御反應［52］、分泌黏液影響微生物的進入和定殖［15，53］，以及通過種子垂直傳播特定微生物等機制［54］。雖然植物已經進化出多種策略來控制微生物組，但對一個群落中所有的微生物都實施控制是具有挑戰性的，而且面對如此龐大的微生物多樣性是不可能完成的。因此，微生物物種能夠在植物全功能體中持續地存在，不僅取決于宿主的控制，還取決于微生物組內部物種之間的相互作用［51］。

圖2 植物從自然到農業系統的馴化過程對植物性狀和根微生物組多樣性的影響

微生物組內部的物種合作關系是維持微生物群落內穩定性的關鍵。微生物間通過營養依賴關系相互交換代謝物以彌補自身代謝缺陷［55-56］，利用這種策略可以拓展微生物的基礎生態位，以保證在營養貧乏環境中穩定的生存［57］。例如，蠟狀芽孢桿菌與黃桿菌屬緊密相關并刺激其在大豆根際的生長，這種促生機制可能涉及細菌細胞壁成分，因為從蠟狀芽孢桿菌培養物中分離出的肽聚糖刺激了根際黃桿菌的生長［58］。營養相互依賴能夠促進有益相互作用，增加群落成員之間的聯系，這最終可能會導致適應性基因的丟失［56，59］。通過基因丟失來進化營養依賴關系，取決于微生物成員之間具備保守的配對關系，并且一個物種的功能缺失需要能夠被其他物種所補充。在沒有任何功能補充增益的情況下，這種營養依賴關系便會不可逆轉的消失，從而導致微生物群落系統的崩潰。因此，確定植物微生物群成員是否表現出低或高水平的代謝互補，不僅對微生物群落生態學和合成微生物生態學研究有關鍵意義，也為探究進化過程如何作用于全功能體的成員提供了新的見解。此外，微生物成員之間的合作機制還包括：生物膜的形成、微生物分子通訊、微生物擴散促進以及真菌內共生細菌等，這些微生物之間的合作機制共同影響了植物相關微生物組的建立以及植物全功能體的適應性［51］。

植物相關的微生物組成員也與其他微生物之間存在直接或間接競爭。這些競爭機制是多種多樣的，可能對微生物群落結構和穩定性產生級聯效應，并最終影響宿主-微生物組穩態。微生物可以通過間接機制快速有效地利用限制性資源來與其他微生物競爭。例如，細菌已經進化出通過分泌鐵載體的策略來螯合鐵元素，從而影響競爭對手在其附近的生長［60-62］。對于限制性養分的固持是生防菌抑制病原體的一個重要途徑［63-64］。例如，有益假單胞菌分泌鐵螯合分子，能夠抑制真菌病原體引起的疾病［65］。最近的研究還表明，資源競爭是連接番茄根際細菌群落組成與病原菌入侵關系的重要因素［66］。這些結果不僅強調了資源在微生物競爭中的關鍵地位，也表明了微生物之間的資源競爭與植物健康密切相關。除限制性資源引起的競爭外，微生物的捕食作用也發生在根-土界面。例如，噬真菌細菌通過消耗活的真菌菌絲來促進自身的生長［67］。同樣，特定的真菌也可以在其他真菌上生長和繁殖（即真菌寄生），從而導致后者的死亡［68］，這種古老的生活史策略至少可以被追溯至4億年前的化石證據［69］。此外，已有證據表明原生動物對細菌的捕食作用與植物健康密切相關［70-71］。2017年，合成微生物組微宇宙實驗發現，原生動物尾滴目（Rizaria：cercozoa）捕食作用對葉片細菌結構和功能有顯著影響，α-和β-變形菌對原生動物捕食作用的抵抗能力較弱，捕食作用重組了葉片中的細菌網絡，影響了細菌的核心代謝功能［72］。以上證據可能支持了這樣的假設，即微生物間存在食物鏈關系，營養網絡是影響植物相關微生物群落構建的重要組織規則［73］。

許多研究集中在探討微生物如何影響宿主健康（微生物對宿主），然而，不能忽視其他影響因素（宿主對微生物、微生物對微生物）在微生物群落功能進化中的作用。原核和真核微生物已經進化出多種合作和競爭互作機制，對于植物組織上微生物群落構建的形成和穩定具有重要作用。然而，大多數的證據來自于一對一的互作研究，只有少數研究是在受控的室內條件下結合簡化微生物群落來重建植物微生物組，以了解微生物間相互作用的功能效應［55，74］。這些研究將為探索復雜微生物群落構建機制，以及為全功能體穩態維持機制提供基礎指導。與植物緊密聯系的微生物也會進化出群落水平的微生物-微生物相互作用策略，使它們能夠在植物全功能體中持續存在。因此，微生物組成員在宿主內部進化為競爭或合作關系，而宿主則使微生物群落系統的進化處于約束之下［16］。

4 植物-微生物組互作的進化軌跡與可持續農業

農業集約化大大提升了作物生產力，但以較低的環境成本來滿足未來人口增長的糧食需求，仍然是當前亟待解決的問題。農業機械化耕作與合成肥料的投入持續地改變了農業景觀，創造了同質性的、養分豐富的、高種內競爭的農業環境。當前的單一作物種植和短周期輪作模式極大地依賴于外部養分投入，并且農業系統的低養分利用效率，以及隨后導致的養分流失、生物多樣性喪失和氣候變化，對生態系統健康產生了嚴重影響［75］。此外，氣候變化導致溫度和降水變化加劇［76］，將對作物生長、產量和養分循環產生重要影響［77］。因此，轉向以生物為基礎或低養分投入的可持續農業，顯現出維持或增加作物產量的前景。同時，也能夠降低對環境的負面影響，并提高作物應對環境脅迫的抵抗力和恢復力［78］。但是，如果作物不能很好地適應這些新的農業環境，那么可能就無法充分發揮其產量潛力。

利用自然存在于根際的生態功能，可以提高低養分投入農業系統中的作物生產力，并在未來資源稀缺和氣候變化的情境下提高作物適應性。最近的研究集中于關注土壤健康對農業生態系統的重要性［79］，而根際微生物組將在土壤健康轉化為作物產量方面起到核心作用。根際微生物組可以通過幫助作物獲取稀缺資源從而減少對外部養分投入的依賴，微生物群落變化對作物養分循環和獲取的影響應被重視。例如，了解參與氮循環和固定的微生物分類群是否已經丟失，以及是否通過功能冗余補償了微生物功能的損失，不僅會影響作物的氮利用效率，而且會影響農業生態系統的氮損失率［80］。同樣，參與有機質快速分解的微生物分類群的變化，也會影響作物對于資源的獲取。闡明造成微生物性狀獲得或丟失的宿主遺傳基礎，可為培育有利于微生物組繁殖的作物品種鋪平道路。即使微生物群落組成的變化有限，但支持高微生物活性的作物基因型，如宿主植物通過高的分泌物數量和質量刺激微生物介導的養分周轉，也能夠促進土壤養分循環和作物養分利用效率。因此，與植物微生物組性狀相關的宿主遺傳變異必須得到很好的表征，并應成為培育資源節約型作物品種的主要目標［81］。

從不同的進化軌跡中提取的知識以及重建宿主系統發育與微生物多樣性或功能之間的聯系，有望幫助培育植物有益微生物組，從而使作物更好地適應未來氣候智慧農業（Climate-smart agriculture）［82-83］。現代雜交品種顯示出對異質性的、資源稀缺的環境適應性下降的趨勢，但現代雜交種更適合于獲取流動的養分［84］，且具備高種植密度的耐受性［85］。在進化時間表上確定那些具備有利性狀的植物物種，可以幫助篩選作物種質，并用于創建適合低投入系統的資源節約型品種。例如，可以通過野生親屬與現代品種之間的雜交，利用遺傳圖譜分析以發現形成特定功能微生物的基因或位點，這些方法已經在擬南芥［86］和玉米［87-88］的微生物組中得以應用，并且這些方法也將為探索定殖于根-土界面的微生物組提供參考。同時，一個“候選基因方法”可以部署在與微生物招募有關的宿主基因上。Huang等［89］最近的研究表明，模式植物擬南芥根系特異表達的由三萜生物合成基因簇組成的代謝網絡，與利用三萜衍生代謝物的微生物的招募有關，這個最初的基因發現可以輔之以將感興趣的基因或基因突變整合到現代作物品種的基因組中，從而使作物具備招募特定功能微生物的能力。除此之外，抗性育種過程可能無意中選擇了支持微生物保護植物免受病原體感染的植物性狀。例如，人工培育的抗枯萎病菜豆品種的根際微生物組具有模塊化的網絡特征，其根際細菌群落比易感病的菜豆品種更為復雜和高度連接。并且抗真菌吩嗪類和鼠李糖脂的蛋白分泌系統以及生物合成基因等特定功能性狀，在抗病品種的根際細菌群落中更為豐富。說明在培育抗病品種過程中可能已經共同選擇了其他未知的植物性狀，這些性狀支持根際更高豐度的特定有益細菌類群，其功能性狀增強了對土傳病原菌的第一道防線［90］。新的基因編輯技術如CRISPR-Cas9，可以產生靶向插入、敲除、氨基酸交換或調節基因表達［91-92］。一項利用基因編輯技術在野生番茄中引入來自現代番茄品種的6個參與番茄馴化的基因位點來重新馴化野生番茄的研究發現，這種基因工程品種同時保持了野生祖先的大多數性狀，也具備現代品種的生產力和產量性狀［93］。這些新的植物基因型的發展，可以通過“快速育種”來加速實現，即在一個受控的環境下為作物創造最佳的非生物生存條件，以盡量減少其生命周期和世代時間，從而更快地投入于農業生產實踐［94］。

5 總結與展望

植物微生物組對植物的生長、發育和健康至關重要，利用微生物組潛力作為一個新的平臺以提高作物生產力和抗逆性，是未來氣候變化背景下農業面臨的巨大挑戰之一［95］。為此，需要深度剖析參與招募和激活其微生物伙伴的植物性狀和機制，以及調控微生物性狀的生物過程。理解微生物群落的組裝和活性需要多種互補的方法，包括生態學、植物學、微生物學和分子生物學，從而確定植物和微生物在分子和生物化學水平上有益相互作用的功能基礎。

最近的植物微生物組研究主要集中在描述不同植物相關生態位中微生物群落的結構和功能，以及將特定的微生物類群與植物性狀聯系起來，這些研究大大增強了對于植物相關微生物組中廣泛分類特征的理解。此外，宏基因組學、蛋白組學、代謝組學等組學方法相結合的策略，現在正在將微生物組的結構轉變與植物的整體功能聯系起來。由于生物系統固有的復雜性，除了植物和微生物之間的相互作用外，還需要同時考慮和解釋微生物之間的相互作用，從而為植物全功能體表型分析奠定基礎。

對于農業系統而言，作物的馴化和育種過程主要側重于選擇在高養分投入條件下與生產力相關的植物基因，導致了植物從與微生物對應的進化軌跡中被轉移出來，忽視了微生物對植物生長、發育和健康的貢獻［81］。馴化和育種過程導致了作物相關微生物群落遺傳多樣性的損失，基于人工投入策略對作物的選擇從長遠來看是不可持續的。因此，有必要剖析作物的馴化歷史及其環境適應性，以確定野生和栽培種質中可利用的微生物性狀和形成這些性狀的植物基因［45］。了解人類的馴化選擇如何影響根系性狀以及根際相互作用，可以為重新引入根系性狀與微生物關聯相關的等位基因多樣性提供依據，并為促進基于生物資源獲取的育種和管理策略提供指導。選擇適當的植物育種措施改良植物-微生物組相互作用，是增加植物微生物組效益的可行途徑，并且基于分子生物學和作物基因組學的研究將有望加快這些目標的實現。因而，了解植物-微生物組相互作用的生態進化軌跡，并充分發揮植物與微生物之間原始的有益協作關系，對于作物適應未來氣候情景并促進農業可持續性具有重要意義。