植物根際微生物調(diào)控根系構(gòu)型研究*

李夢潔，李占彪，周思含，國 輝,2,3,4**，何湘?zhèn)ィ?兵，朱昌雄

植物根際微生物調(diào)控根系構(gòu)型研究*

李夢潔1，李占彪1，周思含1，國 輝1,2,3,4**，何湘?zhèn)?，耿 兵5**，朱昌雄5

（1. 北京林業(yè)大學(xué)生物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100083；2. 林木育種國家工程實驗室, 北京 100083；3. 林木花卉遺傳育種教育部重點實驗室, 北京 100083；4. 樹木花卉育種生物工程國家林業(yè)和草原局重點實驗室, 北京 100083；5. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081）

植物根系構(gòu)型即根系在其生長介質(zhì)中的生長與分布，包括根系長度、根系分支和根系生物量等，能夠?qū)⒅参锕潭ㄔ谕寥乐胁⒂行账趾偷V質(zhì)養(yǎng)分，直接影響植物的生長和發(fā)育。根系構(gòu)型受多種因素的影響，包括土壤水分、養(yǎng)分和根際微生物，傳統(tǒng)方式主要依靠化學(xué)肥料增加土壤養(yǎng)分進而改善根系生長，但是化學(xué)肥料會對環(huán)境造成危害，根際微生物作為植物的“第二基因組”，能夠改善初生根、側(cè)根和根毛的發(fā)育，促進植物的生長和根際養(yǎng)分吸收，近年來基因組學(xué)?代謝組學(xué)、基因組學(xué)?轉(zhuǎn)錄組學(xué)等多組學(xué)關(guān)聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用揭示了微生物的促生機制，為微生物菌劑的開發(fā)提供了新思路?；谠擃I(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，本文闡述了根際微生物（AMF、PGPR、根瘤菌）對根構(gòu)型的調(diào)控機制包括激素調(diào)控、固氮、溶磷、釋放揮發(fā)性有機化合物四個方面，并描述它們通過這四種機制增加植物根系長度、根系分支，促進根毛發(fā)育的調(diào)控效應(yīng)，基于上述結(jié)論，植物根際微生物可以有效改善根系生長，但實際應(yīng)用效果還有待研究，量化不同機制的相對貢獻率以及提高微生物菌劑在實際應(yīng)用中的穩(wěn)定性是后續(xù)研究的重點。

根系構(gòu)型；叢枝菌根真菌；根瘤菌；植物根際促生菌；微生物菌劑

根系是連接植物和土壤的重要樞紐，植物通過根系獲取土壤資源，由于根系構(gòu)型（總根長、根系生物量與根系分支等）與土壤中資源利用效率間具有顯著相關(guān)性，因此，根系的生長和分布狀況將影響到植株的生長，傳統(tǒng)促進植物根系生長的方式主要是施加化學(xué)肥料，但這種方式會造成土壤退化、環(huán)境污染以及溫室氣體的排放[1]。因此，尋求更具環(huán)境可持續(xù)性發(fā)展的肥料至關(guān)重要。

根際微生物能夠影響根系的生長和分布，微生物聚集在根系周圍，幫助植物增強難溶性礦物質(zhì)的生物利用度，從而增加根對礦物質(zhì)的吸收，為植物提供有效的養(yǎng)分[2]。據(jù)報道，秈稻富集了更高比例的氮循環(huán)相關(guān)細菌，從而導(dǎo)致秈稻根系環(huán)境中的氮轉(zhuǎn)化過程比粳稻品種更有效，更能明顯促進植物的生長[3]。在環(huán)境中磷含量較低時，叢枝菌根真菌（Fungi，AMF）能夠增加磷的利用效率進而促進根系生長[4]，植物根際促生菌（plant growth promoting rhizobacteria，PGPR）和根瘤菌通過溶解、礦化等方式能夠?qū)o機磷等植物不易獲得的營養(yǎng)物質(zhì)進行轉(zhuǎn)化，來滿足其必需的營養(yǎng)吸收[5]。同時，微生物還能產(chǎn)生植物激素、揮發(fā)性化合物等物質(zhì)促進植物生長，PGPR產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物可以促進根毛發(fā)育并提高根際中磷酸鹽的利用率[6]，在植物生長過程中，微生物通過代謝植物分泌物中的色氨酸和其它小分子產(chǎn)生植物激素（包括生長素、赤霉素和細胞分裂素等）來調(diào)控植物初生根和側(cè)根的生長[2,7]。因此，根際生物學(xué)過程不僅決定了植物的養(yǎng)分利用效率，也調(diào)控根際微生物活性，在植物根際生長的微生物群落（叢枝菌根真菌AMF、植物根際促生菌PGPR、根瘤菌）通過激素調(diào)控、固氮、溶磷以及釋放揮發(fā)性化合物等機制來調(diào)控根系構(gòu)型，根際微生物的這些特性具備作為生物肥料微生物菌劑的潛力，但微生物菌劑研發(fā)過程中面臨的最大挑戰(zhàn)是在復(fù)雜的環(huán)境條件下開發(fā)穩(wěn)定的配方，因此，有必要探究微生物發(fā)揮的生態(tài)作用，并進一步了解微生物改善植物根系生長的機制。本文從根際微生物入手，主要分析了AMF、PGPR、根瘤菌對根系構(gòu)型的調(diào)控作用及機制，以期為微生物菌劑的開發(fā)提供新的思路。

1 植物根系構(gòu)型

1.1 根系結(jié)構(gòu)和功能

根系的特征主要表現(xiàn)為根系結(jié)構(gòu)(root system architecture，RSA)，即根系的空間構(gòu)型，如主根和側(cè)根的空間分布以及各種類型的根的數(shù)量、長度、根間夾角、根分枝、根直徑等，在RSA的所有成分中，側(cè)根(lateral root，LR)對植物的生長和發(fā)育至關(guān)重要，比主根對環(huán)境信號的變化更敏感，它可以錨定、吸收礦物質(zhì)養(yǎng)分和水分，產(chǎn)生具有生長調(diào)節(jié)特性的分泌物，是植物養(yǎng)分水分吸收和儲存以及植物與土壤之間的主要界面[8]。

1.2 根構(gòu)型的影響因素

植物能夠檢測并響應(yīng)土壤環(huán)境中水分和養(yǎng)分可獲得性和分布的變化，植物根尖能夠向著水勢較高區(qū)域生長，同樣植物也能夠通過改變根系構(gòu)型來有效探索含有養(yǎng)分的土壤區(qū)域，當(dāng)遇到營養(yǎng)豐富的區(qū)域時，植物為了汲取土壤養(yǎng)分會將資源投入到根的增殖上[9]。對根系發(fā)育影響最大的兩種營養(yǎng)元素是磷和氮。在磷肥濃度為1000mg×kg?1處理下，橡膠樹根毛數(shù)量和體積分別為對照的207%和151.1%，促進效應(yīng)最大，磷肥濃度為200mg×kg?1處理對根毛重量的增加作用最大，但過高的磷肥濃度則會表現(xiàn)出抑制效應(yīng)，在濃度25000mg×kg?1處理時根毛生長表現(xiàn)出負效應(yīng)[10]。濃度為20mmol×L?1硝酸鹽誘導(dǎo)了AGAMOUSE-LIKE21（AGL21）轉(zhuǎn)錄因子的表達，調(diào)節(jié)了植物生長素生物合成基因的下游表達，從而刺激了側(cè)根發(fā)育，但對初生根沒有影響[11]。

土壤微生物也能夠影響根系構(gòu)型，根際是土壤微生物群落聚集棲息和繁衍的區(qū)域，其中有能夠促進植物根系生長的微生物。它們相互作用，互惠共生。植物-微生物互作可以分為兩種類型，一種是互作共生型(例如根瘤、叢枝菌根)，另一種是聯(lián)合共生型，它們能夠在根系表面(有時也包括根內(nèi)層)定殖，增強宿主植物在環(huán)境中的適應(yīng)能力，促進植物健康生長，被稱為促進植物生長的根際細菌（plant growth-promoting rhizobacteria，PGPR）[12]。

2 根際微生物調(diào)控根系構(gòu)型的研究方法

在植物生長發(fā)育過程中，根際微生物可以通過多種方式調(diào)節(jié)根系構(gòu)型進而改善植物的生長，在此過程中，細胞在轉(zhuǎn)錄、翻譯和代謝水平上的變化能夠通過組學(xué)技術(shù)定性和定量檢測，全基因組、轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)、擴增子測序、代謝組學(xué)結(jié)合傳統(tǒng)的培養(yǎng)組學(xué)等多組學(xué)聯(lián)合分析可以研究植物從細胞到個體水平生長發(fā)育的動態(tài)變化，闡明微生物促進植物根系生長發(fā)育的復(fù)雜機制[13?14]。據(jù)報道，對玉米冠根發(fā)育不同區(qū)域進行高通量轉(zhuǎn)錄組測序及根際土壤微生物擴增子測序（16S和ITS）后，發(fā)現(xiàn)玉米根系縱向發(fā)育區(qū)域（根毛，側(cè)根）功能特性與特定的微生物群落相關(guān)聯(lián)，進一步對玉米進行宏基因組深度測序分析、根際移植試驗、不同土壤分離菌接種試驗，發(fā)現(xiàn)特定的根際微生物群落（草酸桿菌科）與玉米生長及氮素吸收密切相關(guān)，對玉米根系提取物和分泌物進行靶向代謝物分析，結(jié)合穩(wěn)定14C標(biāo)記根際碳示蹤技術(shù)及玉米查爾酮合成突變體結(jié)合外源黃酮類化合物互補研究，揭示了玉米根系分泌黃酮類衍生物介導(dǎo)的草酸桿菌在維持寄主與微生物良性互作，并促進玉米側(cè)根發(fā)育和氮素吸收過程中的關(guān)鍵作用[15]。在高粱盆栽中接種PGPR菌株，宏基因組分析表明菌株成功定殖根際，通過基因組學(xué)分析發(fā)現(xiàn)定殖后菌株表達了生長素合成，固氮，磷酸鹽增溶相關(guān)基因，這些基因的表達增加了植物養(yǎng)分吸收和生長素信號傳導(dǎo)能力，進而增加了高粱的根和莖生物量[16]。SPME-GC-MS非靶向代謝組學(xué)結(jié)合轉(zhuǎn)錄組學(xué)的研究方法，揭示了根際細菌產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物通過介導(dǎo)植物生長素信號傳導(dǎo)途徑調(diào)節(jié)植物側(cè)根生長發(fā)育的機制，并初步篩選其關(guān)鍵物質(zhì)[14]。根際微生物對根系構(gòu)型的調(diào)控結(jié)合多學(xué)科交叉互補合作，利用根系及根際研究前沿技術(shù)，立足于植物營養(yǎng)調(diào)控與植物根系發(fā)育方面，充分理解植物根系與微生物的互作效應(yīng)，提高微生物菌劑研發(fā)的準(zhǔn)確性。

3 互作共生根際微生物調(diào)控根系構(gòu)型的效應(yīng)

3.1 AMF

叢枝菌根真菌(AMF) 可以與植物根系形成菌根共生體，不僅可以為植物直接輸送養(yǎng)分，還能調(diào)控根系生長間接促進植株生長。當(dāng)小麥接種（AMF）后，其根長、根表面積分別增加了27％和28％[17]。玉米突變體不能形成側(cè)根，與AMF共生后可彌補玉米突變體的生長缺陷，這表明AMF影響了植物的發(fā)育途徑[18]。由表1可見，柑橘砧木枳根接種AMF后，根系長度、表面積、平均直徑和體積均明顯增加[19]。這是因為柑橘砧木枳根系根毛少或不生根毛(一般情況下無根毛)，主要依靠土壤中AMF的協(xié)作吸收土壤中各種礦物質(zhì)營養(yǎng)，以促進自身生長，AMF與柑橘砧木枳形成菌根后，根細胞基因的表達發(fā)生變化導(dǎo)致側(cè)根數(shù)量增加，但AMF只在大的側(cè)根上定殖，在細的側(cè)根上不定殖。利用RNA-Seq技術(shù)發(fā)現(xiàn)，與大的側(cè)根相比，細的側(cè)根中參與AMF共生的基因表達水平下調(diào)[4]。表1還顯示，番茄和水稻幼苗接種AMF后，番茄的根長、總根表面積、總根體積、平均根直徑和根尖數(shù)都顯著增加，并且激活了水稻的側(cè)根發(fā)育[20?21]。目前主要研究根系和AMF共生后根細胞基因表達的變化，實際上在未發(fā)生接觸時，AMF就能夠?qū)е滦←湼蛋l(fā)生轉(zhuǎn)錄重編程，AMF的分子信號改變了小麥根系中2000多個基因的表達[22]。總的來說，AMF不僅能通過直接接觸來促進側(cè)根的增殖，也可以傳達分子信號改善側(cè)根生長。

3.2 根瘤菌

豆科植物可以形成根瘤供根瘤菌寄生，根瘤菌將氮素固定為植物可吸收利用的氨，從表1可知根瘤菌促進了豆科植物大豆和蒺藜苜蓿側(cè)根的發(fā)育[23?25]，除了與豆科植物形成固氮共生外，研究發(fā)現(xiàn)根瘤菌的基因能夠在水稻和甘蔗中表達，這表明根瘤菌的固氮作用也能夠發(fā)生在非豆科植物中[26]。表1顯示接種根瘤菌能夠增加水稻的根長及幼苗活力指數(shù)，在白三葉和水稻植株上的接種試驗結(jié)果表明，sp. POA3菌株能夠增加這兩種植物根的干重[27]。sp. TPV08和PETP01能夠促進番茄和辣椒的生長，根的干重是對照組的兩倍以上[28]，除了生物量，根瘤菌也能夠調(diào)控植物根系長度，sp. IRBG74促進了擬南芥?zhèn)雀l(fā)生，但是抑制了初生根的生長[29]。接種sp. PEPV40后菠菜幼苗的根長在5d內(nèi)增加了90％，從而給細菌定殖提供了更大的空間[30]。

4 聯(lián)合共生根際微生物調(diào)控根系構(gòu)型的效應(yīng)

PGPR（plant growth promoting rhizobacteria）是用來描述一組能夠在根際定居的有益細菌，通過不同的機制促進植物生長，包括磷酸鹽增溶、固氮、產(chǎn)生植物激素，揮發(fā)性化合物VOC等[31]，PGPR對根系構(gòu)型的調(diào)控非常全面，包括對根系密度、生物量、根長、分支數(shù)、側(cè)根發(fā)育等指標(biāo)的調(diào)控。表1顯示接種PGPR后水稻和番茄根系的長度、直徑和分支都有所增加[32?34]。常見的PGPR包括芽孢桿菌屬和假單孢菌屬等，甲基營養(yǎng)型芽孢桿菌能夠增加擬南芥的根系密度及分枝的程度[35]，紫花苜蓿接種芽孢桿菌后初生根的長度、側(cè)根數(shù)量以及根生物量增加[36]。從玉米根際分離的假單胞菌PS01抑制了初生根的生長，但能促進側(cè)根和根毛形成[37]，在擬南芥中接種假單胞菌屬后也觀察到同樣的表型變化[38]，這種反應(yīng)不同于巴西固氮螺菌引發(fā)的反應(yīng)，后者側(cè)重于刺激側(cè)根的增殖而不是側(cè)根生長[39]。這些研究證明根際微生物可以調(diào)控植物根系的發(fā)育和結(jié)構(gòu)。

表1 根際微生物的促生效應(yīng)

注：AMF是叢枝菌根真菌，Rhiz.是根瘤菌，PGPR是植物根際促生菌。下同。

Note: AMF isFungi, Rhiz.is Rhizobium,PGPR isplant growth promoting rhizobacteria. The same as below.

5 根際微生物調(diào)控根系構(gòu)型的機制

5.1 微生物產(chǎn)生激素對根系的調(diào)控

植物激素是關(guān)鍵的信號調(diào)節(jié)劑，可以調(diào)控植物的生長和發(fā)育。研究發(fā)現(xiàn)微生物也可以合成并分泌激素來平衡植物激素的水平，從而促進植物的生長（圖1）。在植物促生過程中，生長素是一種對植物根系發(fā)育至關(guān)重要的植物激素，是植物生長和發(fā)育過程的主要調(diào)節(jié)劑，直接或間接調(diào)節(jié)大多數(shù)植物的生長過程。參與生長素生物合成的酶首先在細菌中發(fā)現(xiàn)，假單胞菌和農(nóng)桿菌中的和基因分別編碼色氨酸?2?單加氧酶和水解酶，色氨酸?2?單加氧酶催化色氨酸轉(zhuǎn)化為吲哚?3?乙酰胺，水解酶則釋放生長素[40?41]。巴西固氮螺菌（）具有亞硝酸還原酶活性，在定殖過程中能夠產(chǎn)生NO，NO能夠參與生長素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑控制側(cè)根形成。低濃度的生長素（1×10?12～1×10?9mol×L?1）可以刺激初級根的伸長，而高濃度的生長素（3×10?6～10?3mol×L?1）會降低初生根的長度，促進根毛的形成，并刺激側(cè)根的產(chǎn)生，根毛和側(cè)根能夠更好地吸收養(yǎng)分進而促進微生物生長[12]。微生物還可以產(chǎn)生細胞分裂素、赤霉素和乙烯，細胞分裂素刺激植物細胞分裂，控制根分生組織的分化，誘導(dǎo)根毛的增殖，但抑制側(cè)根形成和初生根的伸長[7,42]，在干旱脅迫條件下，枯草芽孢桿菌產(chǎn)生的細胞分裂素刺激側(cè)柏側(cè)根的生物量增加了13.9％[43]。解淀粉芽孢桿菌產(chǎn)生的赤霉素可以增加根和芽的發(fā)生，進而促進水稻植株的生長[44]。乙烯可以調(diào)控植物的生長和發(fā)育，包括刺激種子發(fā)芽，促進不定根的形成等，但當(dāng)生長素在植物中積累時會誘導(dǎo)1?氨基環(huán)丙烷?1?甲酸（ACC）合成酶基因的轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致乙烯水平升高，從而抑制豆科植物根系生長、根瘤形成以及固氮過程，并加速衰老和脫落，PGPR產(chǎn)生的生物堿及ACC脫氨酶能夠降低ACC在植物組織中的水平，在維持乙烯穩(wěn)態(tài)中起重要作用[45]。其它對根系產(chǎn)生影響的激素還有脫落酸等植物激素，它們之間復(fù)雜的互作在根系發(fā)生和發(fā)育過程中起著至關(guān)重要的作用[46]。

5.2 微生物固氮對根系的調(diào)控

氮是植物生長發(fā)育所必需的主要營養(yǎng)元素之一，主要以銨態(tài)氮或硝態(tài)氮的形式被根系吸收。微生物可以將其它形式的氮通過礦化、硝化和固定作用轉(zhuǎn)化可利用氮源（圖1）。礦化作用涉及一系列的微生物和酶，最終將土壤中的有機氮轉(zhuǎn)化為無機形式，產(chǎn)生的NH4+很容易被植物吸收利用[47]。硝化作用一般由氨氧化菌和亞硝酸鹽氧化菌共同完成，首先在氨氧化細菌作用下，氨 (NH3)氧化成亞硝酸鹽（NO2?），隨后亞硝酸鹽氧化菌催化發(fā)生的亞硝化反應(yīng)將NO2?氧化為硝酸鹽（NO3?）[48]。在自然界氮素還原中，生物固氮（BNF）占據(jù)主導(dǎo)地位，對植物氮吸收總量的貢獻率高達12%～70%，可分為共生和非共生固氮[49]。根瘤菌通過共生固氮為豆科植物提供氮素，改善豆科植物在氮缺乏條件下的生長。幾種PGPR包括芽孢桿菌、固氮螺菌等通過非共生固氮幫助植物固定大氣中的氮，進而促進植物的生長并提高產(chǎn)量。芽孢桿菌屬能夠促進玉米對氮的吸收，使根系具有高濃度的氮素，同時增加玉米的根系體積[50]，嗜麥芽窄食單胞菌（）也有固定氮的能力，相比對照組，接種后的小麥幼苗的根長及生物量顯著增加[51]。固氮螺菌是除根瘤菌外用于生產(chǎn)實踐最多的微生物接種劑，不僅能增加非豆科植物的根系表面積[52]，還能促使豆科植物形成高度分枝根系系統(tǒng)，增加根系表面積和根毛密度，幫助豆科植物應(yīng)對脅迫環(huán)境[53]。此外，PGPR和根瘤菌聯(lián)合接種比單一接種更有利于植物生長和養(yǎng)分吸收，假單胞菌與根瘤菌的互作可以提高大豆的根瘤比例，增強生物的固氮能力。在某些情況下，根瘤菌還可以將結(jié)瘤和固氮基因轉(zhuǎn)移到假單胞菌上，使它們在刺槐根部形成根瘤，進而改善植物的生長發(fā)育[54]。

5.3 微生物促進植物溶磷對根系的調(diào)控

磷酸鹽是根的唯一磷源，磷是幾種重要細胞成分（例如核酸、磷脂和ATP）中的主要元素，顯著影響根的生長，對植物的生長和發(fā)育至關(guān)重要。磷缺乏會抑制擬南芥初生根的生長，但促進其側(cè)根形成[55]，水稻對低磷的響應(yīng)恰好與之相反[56]。在玉米中，磷缺乏會導(dǎo)致某些基因型側(cè)根的數(shù)量和長度減少[57]，因此，提高磷的吸收效率是改善植物生長性能的關(guān)鍵。

AMF能夠顯著促進低磷條件下根系對土壤中磷的吸收，通過與AMF共生，柑橘對磷的吸收顯著增加，而磷利用效率的增加促進了根部的生長[4]（圖1）。其它有益菌包括一部分PGPR通過溶解和礦化磷元素影響植物的發(fā)育[5]，假單胞菌產(chǎn)生的有機酸通過降低根際pH值將難溶的有機磷化合物（例如磷酸鈣和磷酸鋅等）溶解成植物可吸收的形式，增加了土壤中磷酸鹽離子的有效性，從而促進了普通小麥的磷吸收和生物量[58]。礦化是由微生物分泌的磷酸酶和植酸酶催化發(fā)生，磷酸酶將有機磷轉(zhuǎn)化為無機磷，植酸酶在植酸釋放磷的過程中發(fā)揮重要作用，因此磷元素很容易被植物吸收利用[54]，并且PGPR不僅自身能夠影響植物發(fā)育，還可以通過修飾其它植物與微生物的相互作用而影響植物生長，PGPR有利于AMF孢子萌發(fā)和菌絲生長，增強根的感受性及其與AMF間的相互識別，AMF的外源菌絲也能將PGPR轉(zhuǎn)運到有機磷斑塊上，促進有機磷礦化[59?60]。研究發(fā)現(xiàn)，熒光假單胞菌和AMF共同處理后植株的地上部和根系干重均高于單獨AMF處理[61]，因此，在制備微生物菌劑時可以考慮多種菌株的聯(lián)合培養(yǎng)。

5.4 微生物釋放揮發(fā)性有機物對根系的調(diào)控

生物個體間通過揮發(fā)性有機物(volatile organic compounds, VOC)傳遞信息，植物釋放VOC在根際富集有益菌促進自身生長[62]，同時細菌也會分泌VOC作為信號分子來介導(dǎo)植物與微生物的相互作用，除了在植物免疫中發(fā)揮作用外（抑制病原菌的生長）[63]，還對植物根構(gòu)型有明顯的改善，包括增加根長和分枝等，在雙子葉和單子葉植物中都觀察到了這種變化（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)，植物生長促生菌PGPR產(chǎn)生的VOC在促進植物根系生長中有關(guān)鍵作用，來自不同屬的幾種細菌，包括芽孢桿菌、假單胞菌、沙雷氏菌、節(jié)桿菌和單胞菌都能產(chǎn)生影響植物生長的揮發(fā)性有機物，其中由芽孢桿菌合成的乙酸乙酯和2，3?丁二醇是VOC中最常見的化合物，它們對植物生長有顯著的促進作用[64]。

研究VOC的模式植物是擬南芥[65]，擬南芥根系能夠快速感知芽孢桿菌釋放出的苯乙酮、十三醛、十四醛等VOC，根毛、側(cè)根數(shù)量和長度以及初生根的直徑增加[66]。假單胞菌WCS417r產(chǎn)生的VOC刺激了擬南芥基因的表達，這可能與側(cè)根的增加相關(guān)[67]。除了擬南芥之外，在其它單子葉和雙子葉植物中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象，芽孢桿菌屬和不動桿菌屬產(chǎn)生了大量的3?甲基丁醇和(Z) ?N?羥基苯亞胺甲酯，刺激了辣椒根毛發(fā)育和側(cè)根生長[63]，GB03釋放的VOC導(dǎo)致二穗短柄草總生物量增加81％，并使總根長、總側(cè)根長和不定根總長分別增加88.5％、201.5％和474.5％[68]。在紫花苜蓿中，芽孢桿菌產(chǎn)生的3?羥基?2?丁酮改善了根系活性和根區(qū)土壤微生態(tài)環(huán)境，為植物生長提供了良好的環(huán)境，對側(cè)根數(shù)量、干重和根系生長均有促進作用[36]。芽孢桿菌屬SQR9菌種釋放的VOC通過調(diào)節(jié)生長素合成相關(guān)基因YUCs促進LR分支，它增加了分支前部位形成的頻率，并進一步加速了初級根中側(cè)根原基的出現(xiàn)，進而在初級根上產(chǎn)生更密集的側(cè)根原基和側(cè)根，代謝組學(xué)分析表明，3?羥基?2?丁酮是芽孢桿菌屬SQR9主要活性化合物，但在促進側(cè)根發(fā)育方面活性較低，在較低濃度（10mmol×L?1和30mmol×L?1）下僅略微促進LR形成，而在較高濃度（100、300和1000mmol×L?1）下，3?羥基?2?丁酮對此沒有影響，因此，需要進一步研究以鑒定根系揮發(fā)物的有效成分并確定其最佳作用濃度[14]。

6 總結(jié)與展望

PGPR、AMF和根瘤菌的生物學(xué)特性和相關(guān)功能是多種多樣的，包括激素調(diào)控、氮磷元素的吸收和固定、釋放揮發(fā)性有機化合物，這些機制還能夠協(xié)同作用調(diào)控根系構(gòu)型，促進植物生長，但是對幾種促生機制對植物根系生長的解析大多分開進行，從而導(dǎo)致關(guān)于協(xié)同調(diào)控植物發(fā)育機制的理解不夠全面，不同路徑的相對貢獻仍有待闡明，因此，將傳統(tǒng)微生物培養(yǎng)實驗與現(xiàn)代基因組學(xué)、宏基因組學(xué)和代謝組學(xué)等多種組學(xué)充分結(jié)合，深入探究不同路徑協(xié)同調(diào)控植物生長的分子機制，并進一步挖掘其中的核心作用路徑，為微生物菌劑的研發(fā)提供一定思路。

有些微生物已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)實踐，但大部分有益微生物仍處于研究階段，主要是由于環(huán)境復(fù)雜多變，據(jù)報道，巴西固氮螺菌Ab-V5在溫室條件下接種顯著增加了玉米和小麥的根系干重、體積和生物量，但在田間條件下，菌株對植物生長無顯著影響[69]，因此，制備菌劑時應(yīng)增加在自然環(huán)境下的試驗，提高微生物接種劑在不同環(huán)境中的穩(wěn)定性，PGPR、AMF和根瘤菌可以協(xié)同發(fā)揮促生作用，在制備微生物菌劑時可以突破單株或單類菌的局限性，盡可能實現(xiàn)微生物組綜合體系的運用?？傊?，根際微生物對植物根系構(gòu)型的調(diào)控在生產(chǎn)實踐中具有廣闊應(yīng)用前景，多組學(xué)關(guān)聯(lián)的研究方法可以充分了解微生物發(fā)揮作用的機制，為菌種的篩選提供研究方向。

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Advances in the Root System Architecture Regulated by Plant Rhizosphere Microorganisms

LI Meng-jie1, LI Zhan-biao1, ZHOU Si-han1, GUO Hui1,2,3,4, HE Xiang-wei1, GENG Bing5, ZHU Chang-xiong5

(1. College of Biological Sciences and Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China; 2. National Engineering Laboratory for Tree Breeding, Beijing 100083; 3. Key Laboratory of Genetics and Breeding in Forest Trees and Ornamental Plants, Ministry of Education, Beijing 100083; 4. The Tree and Ornamental Plant Breeding and Biotechnology Laboratory of National Forestry and Grassland Administration, Beijing 100083; 5. Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Science, Beijing 100081)

Plant root system architecture is the growth and distribution of the root system in its growth medium, include root length, number, branch and biomass, etc, which can fix plants in the soil and effectively absorb water and mineral nutrients, which directly affect the growth and development of plants. The root system architecture is affected by many factors, including soil moisture, nutrients and rhizosphere microorganisms. Conventional root ameliorated practices often rely on chemical fertilizers, which have immense and adverse effects on environments. Therefore, it is necessary to propose alternatives to chemical fertilizers. The rhizosphere of the plant is an essential niche with abundant microorganisms residing in it, those rhizospheric microbes link the interaction of plants and soil to promote nutrient solubilization and they possess the properties of the primary root, lateral root and root hair growth ameliorated as the second genome of the plant. The application in the techniques of multi-omic analysis (genomics-metabolomics, genomics-transcriptomics, etc) can explore deeply related mechanisms for beneficial microbes affect root development. These mechanisms are of great importance in improving soil fertility and plant growth, thus reducing the negative impact of chemical fertilizers on the environment. Therefore, the aim of this paper was to review the research methods, effects and mechanisms of root system architecture regulated by plant rhizosphere microorganisms. The results indicated that AMF, PGPR and rhizobium increased root length, root diameter, root branch and promoted root hair and lateral root development through four mechanisms (nitrogen fixation, phosphate solubilization, regulation of plant secretion of plant hormones, and release of volatile organic compounds). Above all, plant rhizosphere microorganisms can improve root system architecture, but the effect of plant rhizosphere microorganism’s application still needs to be further studied. Quantifying the relative contributions of different mechanisms and improving the stability of microbial inoculants in practical applications are the focus of follow-up research. These conclusions will provide a theoretical basis for the development of microbial inoculants.

Root system architecture; Arbuscular mycorrhizal fungi; Rhizobium; Plant growth promoting rhizobacteria; Microbial inoculants

10.3969/j.issn.1000-6362.2021.11.001

李夢潔,李占彪,周思含,等.植物根際微生物調(diào)控根系構(gòu)型研究[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2021,42(11):895-904

收稿日期：2021?03?04

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金 ( 2018ZY34 )；國家自然科學(xué)基金（31770110）

通訊作者：國輝，博士，副教授，從事資源與環(huán)境微生物學(xué)研究，E-mail: guohuiya@126.com；耿兵，博士，研究員，從事環(huán)境微生物學(xué)研究，E-mail: gengbing2000@126.com

李夢潔，E-mail: 15011530410@163.com