果樹根際微生物研究綜述*

付小猛，毛加梅，楊虹霞，龍春瑞，劉紅明，杜玉霞，董美超，岳建強，李進學

（云南省農業科學院熱帶亞熱帶經濟作物研究所，保山 678000）

我國是世界上最大的水果生產國與消費國，2019 年全國水果種植面積1 227.7 萬hm2，水果總產量達到2.74 億t[1]。近年來，隨著果樹種植規模的不斷擴大，水果產業占國民生產總值的比重也日益增加。在我國，水果是部分地區特別是丘陵山區賴以生存的支柱產業，在推動當地經濟發展、改善農民生活等方面發揮了巨大的作用[2]。果樹通常為多年生經濟類作物，一般來說，其產量越高，對肥料的需求量越大，而土壤施肥是改善果園土壤養分供應、實現果樹優質高產的重要技術措施。目前，在果樹生產中尚存在著有機肥投入不足、氮肥過度施用等普遍問題，導致土壤質量下降、根際微生態失衡、病害加劇，制約了果樹產量與品質的進一步提升。

根際，即在植物根系表面、受植物根系活動直接影響的特定區域，是植物與土壤進行物質交換的活躍平臺，其范圍雖小，卻被認為是地球上最復雜的生態系統之一[3-7]。根際微生物是指緊密附著于根際土壤中的微生物。研究證明，根際微生物群落主要通過影響植物的生理和發育，對果樹營養、生長、發育和病理等方面起著舉足輕重的作用[8]，雖然根際微生物群落對果樹生長的重要性已被廣泛認識，但對于絕大多數根際微生物來說，人們對它們的了解非常有限。為了促進果樹的健康生長，了解根際微生物群落的組成及各成員的功能，重塑根際微生物群以實現果樹可持續生產是至關重要的。

1 果樹根際微生物的組成

果樹根際微生物種類繁多、數量龐大，其組成會隨著植物宿主的不同而不同。即使在同一株果樹的不同生長階段，其根系分泌物的變化也會影響到根際微生物的發育與組成。

2018 年，有關全球柑橘根際微生物組的結構和功能的研究成果在國際期刊Nature Communications上發表，該研究揭示了柑橘根際微生物的多樣性、核心微生物類群以及不同產區根際微生物組成的差異。研究發現，在門水平分類上，柑橘根際優勢微生物主要集中在變形菌、放線菌、酸桿菌和擬桿菌四大門。在屬水平分類上，柑橘根際的核心微生物類群主要包括11個屬，分別是假單胞菌屬、土壤桿菌屬、貪銅菌屬、慢生根瘤菌屬、根瘤菌屬、中生根瘤菌屬、伯克氏菌屬、纖維弧菌屬、鞘氨醇單胞菌屬、貪噬菌屬以及伴伯克氏菌屬[9]。

宋曉軍從煙臺棲霞蘋果園區選取種植了5、10、15、20 年的蘋果樹根際土壤進行取樣，進行土壤總DNA 提取，通過高通量測序結果分析，得到了43門712 屬微生物。其中根際優勢微生物主要集中在變形菌門、浮霉菌門、放線菌門和酸桿菌門四大門，這四大門的相對豐度約占62.33%。從樹齡角度來看，變形菌門在20 年樹齡的根際土樣中相對豐度最高，酸桿菌門在15 年樹齡的根際土樣中相對豐度最高，浮霉菌門和放線菌門在5 年樹齡的根際土樣中相對豐度較高[10]。

2 根際微生物與果樹的互作

根際微生物對果樹的生長發育至關重要，其與果樹根系相互作用、相互促進。一方面，根際微生物依賴果樹根系的分泌物以及根系的脫落細胞等為其生長提供營養；另一方面，根際微生物聚集在果樹根系周圍，分解有機質，分泌維生素、酶、生長激素等，促進果樹生長。

2.1 根際微生物對果樹的影響

在果樹根際微生物中，既有通過營養競爭、拮抗及誘導植株抗性來抑制土壤病原菌、促進果樹生長的根際有益微生物，也有可以抑制果樹生長甚至導致果樹死亡的根際有害微生物。

2.1.1 根際有益微生物對果樹生長的影響

根際微生物種類眾多，功能多樣，如細菌中的固氨螺菌屬、根瘤菌屬、芽孢桿菌屬、假單胞菌屬、沙雷氏菌屬、寡養單胞菌屬、鏈霉菌屬和真菌中的白粉寄生孢屬、盾殼霉屬和木霉菌屬等[11-13]已被證實對植物生長有顯著的促進作用，即根際有益微生物。根際有益微生物通常通過多種機制促進植物生長并保護植物免受病原體的侵害。

在柑橘栽培上，由于柑橘根毛短而稀少，柑橘類果樹主要依靠與叢枝菌根真菌（AMF）的共生來促進土壤中礦質養分的吸收[14]。前人研究表明，叢枝菌根既可以促進果樹生長發育[15]，又能提高果樹的抗逆性[16-17]。吳強盛等發現，接種AMF 不僅能促進柑橘根系淀粉、蔗糖等碳水化合物的積累，還能提高柑橘葉片的蒸騰速率、光合速率和氣孔導度，改善土壤的孔隙和持水性能，提高柑橘類果樹的抗旱性[18]。舒波研究發現，接種AMF 可以促進枳對磷的吸收，從而解決生長中低磷脅迫的問題[19]。王明元等研究發現，在高pH 值條件下，接種AMF 可有效緩解枳實生苗的缺鐵癥狀[20]。據報道，根際微生物群落會產生吲哚乙酸、赤霉素和細胞分裂素等多種促進果樹生長發育的植物激素。浙江工業大學錢海豐團隊研究發現，根際微生物可以通過調節土壤氮循環和分泌植物激素來調控植物開花的時間[21]。這個結果意味著人們可以通過改變根際微生物的組成和數量來調控植物的營養生長與生殖生長。而另一些研究表明，根際中的芽孢桿菌屬、鏈霉菌屬和假單胞菌屬等微生物會產生抗生素和抗真菌化合物，進而抑制病原菌的生長，這些根際微生物也被認為是潛在的生物防治劑[22]。總的來說，根際有益微生物通常通過分泌激素類物質、促進果樹養分吸收、增強果樹抗性、抑制病原菌生長等方式促進果樹生長[23]。

2.1.2 根際有害微生物對果樹生長的影響

Agrios[24]認為，根際有害微生物主要包括病原真菌、病毒和細菌，但對果樹影響較大的要數病原真菌。由于無芽孢型細菌不能長期在土壤中生存，且大多數細菌需要通過傷口才能侵染植株，因此只有少數細菌能對果樹生長造成危害。與細菌類似，病毒在侵染果樹根系的時候必須借助外部因素，比如傷口或者真菌、線蟲等媒介[24]。Horbach 等[25]認為病原真菌主要通過產生影響植物細胞活性的低分子化合物來侵害植物細胞。而在生產中常見的連作障礙，即同一果樹或近緣果樹連續種植以后，出現長勢變差、病蟲害嚴重、產量及品質降低的現象，其主要原因就在于單一根系分泌物介導的根際微生物多樣性降低、病原微生物富集。

2.2 果樹對根際微生物的影響

果樹根系分泌物中含有各種氨基酸、有機酸、碳水化合物等，這些都是根際微生物賴以生存的營養物質。果樹根系分泌物被認為是建立根際宿主特異性微生物群落的關鍵驅動因素。果樹根系分泌物的組成和數量會受到果樹種類、品系、樹齡及生理狀況等因素的影響[26]，進而影響根際微生物的類群和數量。一般在初花期根系分泌物較多，根際微生物數量最大，到生長后期，真菌及放線菌的數量通常會增多。

果樹的健康狀況同樣會影響根系分泌物的組成和數量，進而影響根際微生物的組成、數量與基因功能的表達。Wu 等[27]通過比較印度酸橘幼苗須根分泌的淀粉和蔗糖含量，發現感染柑橘黃龍病的幼苗其分泌量明顯低于健康幼苗。Etxeberria 等[28]利用掃描電鏡和透射電鏡觀察發現，感染柑橘黃龍病的甜橙根系中存在著淀粉缺失、韌皮部細胞萎縮和纖維消失等現象。另有研究表明，由于感染黃龍病的柑橘樹，其根系部位的淀粉、蔗糖等碳水化合物代謝異常，根系活力明顯降低，對一些腐生菌如柑橘疫霉菌等的侵染更加敏感，進而導致根系腐爛，根系分泌物大量減少[29]。Trivedi 等[30]通過構建柑橘根際微生物的16S rDNA 基因克隆文庫，發現一些能夠促進果樹生長的微生物比如芽孢桿菌屬、伯克氏菌屬、柄桿菌屬、溶桿菌屬等，僅存在于健康柑橘的根際中，在感染黃龍病的柑橘根際中沒有檢測到這類有益微生物的存在。同時，利用定量PCR 技術進一步分析發現，黃龍病病原菌的侵染不僅會導致柑橘根際微生物種群的改變，還會導致其相對豐度的變化。Trivedi 等[31]利用GeoChip 功能基因芯片對柑橘根際微生物功能基因多樣性進行分析，發現感染黃龍病的柑橘根際微生物中，與固氮、氮循環等相關的功能基因的豐度明顯低于健康果樹。

3 果樹根際微生物群落的調控或重塑

在了解根際微生物與果樹互作的關系后，如何調控或重塑果樹根際微生物群落以提高果樹持續生產力是一個值得深入研究的問題。我們側重介紹目前已被用于調控或重塑果樹根際微生物的3 種方法，分別是微生物介導調控、植物介導調控以及農技管理調控。

3.1 微生物介導策略

目前，調控果樹根際微生物最佳和最有效的方法是通過生物接種。市場上許多由PGPR 和AM 真菌等有益微生物復合而成的產品就是以期通過生物接種（施肥）的方式調控或重塑根際微生物[32-34]。然而，施用效果卻良莠不齊。一個好的產品，所使用的微生物菌種至少應滿足3個條件：對果樹生長有益、容易在根際定殖、持久性好。目前生產上使用的菌種大多數是在實驗室的傳統培養條件下分離得到的，其益生性能及效果通常也是在實驗室或者溫室條件下研究的，但是在實際的應用中，由于它們不能在自然農業土壤中定殖或持續地繁殖，無法抵達果樹根系，與果樹形成共生關系，無論接種量多高，施用后的效果都是微乎其微。而那些真正分離自根際的微生物菌種，其生存更多地依賴根系分泌物，只要有植物根系，這些益生菌就能生存下來，并持續發揮促生、防病、增產等諸多功效。因此，利用微生物介導調控或重塑果樹根際微生物時，一方面可以選擇分離自根際的菌種，另一方面可以考慮通過操縱抗性植物的健康微生物群來改造易感植物的根際微生物群。在實際的操作中，我們可以將一些之前從根際篩選到的具有促生或者抗病作用的有益微生物，按一定比例與健康土壤菌懸液混合后接種到特定果樹，以構建果樹根際健康群落，提高果樹抗病能力。

3.2 植物介導策略

在植物介導策略中，通常采用基因工程和植物育種這2 種不同的方法來操縱感興趣的植物性狀。該策略主要是通過植物育種或基因改造來改變根系分泌物的數量和質量，進而改變根際微生物群落的組成。王靜等[35]研究了不同櫻桃砧木（‘大青葉’‘山櫻’‘考特’和‘馬哈利’）根際微生物數量的差異，結果表明，‘大青葉’根際土壤中固氮細菌、氨化細菌、硝化細菌及反硝化細菌等氮素生理群數量最高，‘山櫻’根際土壤中有機磷細菌數量

最高，‘馬哈利’根際土壤中無機磷細菌數量最高，‘考特’根際土壤中纖維素分解菌數量最高。通過比較發現，不同櫻桃砧木基因型不同，其根系分泌物的組成也不盡相同[36]。根系分泌物通過改變根際的pH 值、Eh 值和根際營養等環境因素，進而直接或間接影響根際土壤微生物的組成與數量[37]。用基因工程代替傳統植物育種是一個很有前途的方法，但是很耗時。Gevaudant 等[38]通過基因工程的手段來調控根際酸堿度，進而改變根際微生物的組成。

3.3 農技管理策略

不同的農技管理方式，會引起土壤的水分和營養條件等要素發生變化，進而影響根際土壤微生物的數量、種類和活性[39]。蔡昆爭等[40]研究結果表明，覆膜能增加土壤微生物（真菌、細菌和放線菌等）的總量。覆膜可以創造一個水分、空氣、溫度、濕度等都比較適合微生物生長的環境，進而改變其數量和種類[41]。徐華勤等[42]試驗結果表明，間作的土壤微生物種類和數量都顯著高于單作；覃嬋嬋研究表明，與清耕相比，荔枝與紅薯或大豆間作、覆膜處理均能顯著提高土壤根際微生物多樣性[43]。輪作與間作類似，也可以對作物根際土壤微生物環境和果樹生長產生積極影響[44]。大量研究表明，間作/套種的方法確實能影響根際土壤微生物群落結構及果樹抗病能力，其根本在于間作/套種這種聯合種植模式能將抗逆作物的根際微生物有效輸入到目標作物根際，進而實現根際微生物群落的重塑及植株抗性的提高。因此，在實際運用中，可以選擇一些抗病品種與目標作物間作/套種。野生作物由于其生存條件惡劣，抗逆性相對較強，其根際往往蘊含豐富的抗病微生物資源，因此可以將野生作物與目標作物搭配種植，以提高目標作物的抗病能力。

4 展 望

當今全球面臨的主要挑戰是在有限的土地上用較少的肥料和農用化學品投入來提高作物產量。通過特定微生物或有益微生物的外源接種，有可能改變微生物群落的結構，以提高植物的抗病性和對特定營養物質的吸收。在這方面，所謂的“微生物驅動的種植系統”的發展可能導致農業的下一次革命，從而產生一個更可持續的植物生產系統。目前，多項研究揭開了根際有益微生物群提高果樹健康和性能的機制。然而這些研究大多建立在可培養微生物多樣性的基礎上，對不可培養微生物的研究很少，然而，地球上只有1%～5%的微生物是可培養的，其余95%～99%的微生物是不可培養的[45]，迫切需要挖掘這些看不見的微生物多樣性的潛力。未來的研究將利用宏基因組測序、微生物菌群培養和人工重組等技術，從微生物群落水平深入研究根際微生物在果樹營養高效、抗病和抗逆等重要生理過程中的作用，為將來果樹根際微生物組的重組和構建、提高水果產量提供理論和現實依據。