【LorMe视角】合成菌群在根际免疫研究中的现状与未来

5月28日，LorMe实验室在南京农业大学学报上发表题为《合成菌群在根际免疫研究中的现状与未来》一文。本综述主要介绍了合成菌群在根际免疫研究中的地位、研究现状，以及根际免疫合成菌群的设计原则，并总结了在根际免疫研究中合成菌群未来的重点方向。

注：下文中图片参考于韦中教授近期在第二届全国土壤分析技术中的PPT报告内容《根际免疫与合成菌群构建》，如需报告全文，请关注公众号，并在文末评论区留下您的邮箱。

摘  要

根际生态系统所具有的抵御土传病原菌入侵的现象和功能被称为根际免疫，其与根际核心功能微生物、微生物-微生物互作以及植物-微生物互作等特征密切相关。由于自然根际微生物菌群的异质性和复杂性，这三类特征在根际免疫形成中的作用机制尚未不明确。为此，以明确分类地位、功能特性微生物组成的合成菌群在揭示上述根际免疫问题中具有有重要的优势。本文从合成菌群在根际免疫研究中的重要性、根际免疫中的研究进展以及根际免疫合成菌群的设计原则三个方面进行叙述，并总结了合成菌群在根际免疫研究中亟待强化的方向，以便更好地服务于根际健康提升和农业可持续发展。

图1 根际免疫

合成菌群在根际免疫研究中的重要性

纵观根际微生物与土传病害防控的研究历程，可以分为三个阶段。

第一阶段主要聚焦在功能菌的筛选、作用机制和应用效果研究，并开发了相应的生物制剂。但由于根际存在大量且复杂的微生物群落，单一功能菌的田间生防效果往往不稳定。

第二阶段主要研究根际微生物群落特征，通过结合测序技术阐明其与抑病功能的关系。由于根际微生物群落构成及其互作关系复杂，根际菌群影响植物健康机制的一些相关科学问题仍不清楚。

第三阶段主要结合宏基因组、宏转录组和宏培养组学以及大数据分析、数学模型构建、微流控等技术，经筛选、鉴定获得可培养功能微生物，进而构建合成菌群，探究微生物群落特征与作物健康之间的关系。

尽管合成菌群无法做到完全重现根际菌群构成，但可以更清晰阐明根际菌群影响作物健康的机制，科学指导根际菌群调控，进而控制土传病害的发生，实现促进作物健康的目标。

合成菌群在根际免疫研究中的应用进展

Part.01

利用合成菌群解析根际免疫的核心微生物组

根际核心微生物在抵御土传病原菌入侵和维持植物健康中发挥着重要作用。近年来，多种作物发病田块土壤中的核心微生物组被解析出来，但其是否发挥核心作用仍缺少直接因果关系的验证。而基于明确分类地位和功能特性的微生物构建合成菌群，可检验核心微生物对促进植物健康的重要作用。牛犇等人构建的由7种生防细菌组成的合成菌群可有效抑制玉米苗枯病的发生，但当该菌群中缺少Enterobacter cloacae时，除Curtobacterium pusillum物种丰度增加外，其他物种均消失，这表明E. cloacae为该菌群中的核心微生物。

图2 利用合成菌群解析核心微生物组的相关案例

Part.02

利用合成菌群探究菌群互作与根际免疫关系

作物健康不仅受根际微生物群落构成的影响，也由群落与病原菌以及群落内部的互作关系决定。以土传青枯病为例，LorMe实验室前期研究发现，作物初始根际细菌群落结构和互作网络决定了后期作物的健康状况。为了进一步阐明机制，基于6株不同属的细菌构建合成菌群进行研究，结果指出便利型的根际细菌群落利于土传青枯菌的入侵，而竞争型的群落则会对青枯菌的入侵产生抑制作用。此外，以5株劳尔氏属细菌和8株假单胞菌为材料构建合成菌群，发现菌群于资源利用上的互补效应和拮抗物质抑菌中的协同效应，在合成菌群抑制土传青枯病发生中有着重要作用。

图3 竞争型和便利型合成菌群对根际免疫效果的影响

图4 资源互补型合成菌群对根际免疫的提升效果

Part.03

利用合成菌群揭示根际菌群-植物互作对植物健康的影响

除上述两种因素外，微生物与植物之间的互作在维持植物健康方面的贡献同样不可忽略。Castrillo等人研究发现在磷饥饿条件下，一个由35种细菌构成的人工菌群增强了磷酸盐胁迫响应基因PSR、PHR1和PSR转录调节因子的活性，并且PHR1不仅激活了这些条件下磷酸盐胁迫反应的基因，而且直接抑制植物免疫基因的表达，从而建立调控营养与防御之间平衡的分子机制。这表明根际菌群和植物免疫系统之间的相互作用可能在形成有益的植物-微生物群落共同体（holobiont）和维持植物健康以及微生物群落稳定方面起着关键作用。

图5 植物与微生物互作影响宿主健康

根际免疫合成菌群的设计原则

Part.01

恰当的合成菌群结构

物种多样性、关键微生物和各成员初始比例是构建能够提升根际免疫合成菌群的关键特征。一般认为，多样性高的合成菌群可以更好地抑制土传病原菌的生长，但多样性的增加也可能会加剧物种间的竞争，削弱抑制病原菌的能力；较低复杂性的菌群往往有利于研究群落成员的作用，但是随意剔除合成群落的成员可能会导致关键微生物的缺失，进而影响抑病功能；此外，大量研究指出成员间的初始比例不同时，群落互作的方式和所表现的功能也具有差异。因此构建合成菌群时，有必要考虑上述三种特征以构建具有恰当结构的菌群。

Part.02

明确的菌群互作关系

合成菌群成员间的互作关系对其功能的发挥具有重要影响。利用交叉互养、群感效应以及 “剪刀—石头—布”等积极的菌群互作模型，或许可以有效抵抗土传病原菌的入侵。但需要注意，虽然传统认为微生物之间积极的相互作用更有利于功能的发挥，然而，越来越多的研究指出，高度竞争的合成菌群在抵御病原菌入侵方面可能更具优势。此外，除同一营养级生物之间的互作外，还可考虑利用不同营养级生物间的互作关系如捕食和寄生等构建合成菌群。

Part.03

稳定的菌群抑病功能

合成菌群的鲁棒性和稳定性是其在根际中能长期发挥功能的关键。经过长期的演化、群落成员间合理的分工合作，自然菌群具有很高的鲁棒性，从天然菌群中受到启发，菌群中的成员不是一个个孤立的个体，而是彼此之间相互依赖的整体，因此设计具有鲁棒性的抑病合成菌群应先从建立密切的种间交流着手。合成群落在面对环境温度、pH、养分浓度等变化后，其菌群结构、互作关系以及代谢网络可能会发生变化，因此可通过上述指标衡量合成菌群的稳定性，以构建具有更高稳定性的合成菌群。

图6 根际免疫合成菌群的设计原则

展  望

合成菌群的构建是合成生态学的重要研究内容之一，且在根际免疫领域的研究中仍处于起步阶段。本文重点论述了合成菌群在根际免疫中的研究进展以及设计原则，后续可能需要更加关注根际核心菌群的结构和功能、多营养级合成菌群的构建、植物对合成菌群的响应与识别以及相关模型的构建和精准预测等方面的研究。

全文链接：

https://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1148.S.20210527.1646.006.html