综述：探索生物炭通过组学科学对根际微生物组的影响：增强对根际生物组的理解

《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：Exploring Biochar Impacts Through Omics Sciences: Enhancing Rhizobiome Understanding

本综述系统阐述了多组学技术（宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白质组学、宏代谢组学）在解析生物炭（Biochar）调控根际生物组（Rhizobiome）机制中的前沿应用。文章指出，传统方法难以揭示生物炭-植物-微生物在动态根际中的多维互作，而整合多组学方法可全面揭示生物炭介导的微生物群落结构、功能基因表达、蛋白产物及代谢谱的动态变化，为优化生物炭农业应用、提升土壤肥力、促进作物健康及环境修复提供了系统生物学视角。

　　

引言

根际生物组作为植物根-土界面的复杂微生物群落，在维持植物健康、促进养分吸收、缓解环境胁迫及增强抗病性方面发挥着核心作用。生物炭作为一种由生物质热解产生的富碳材料，因其能改良土壤理化性质、提升肥力及修复污染土壤而备受关注。然而，生物炭在根际区域与植物、微生物间的多维互作机制极为复杂，传统培养方法难以全面解析。近年来，组学技术的兴起为在分子水平上系统揭示生物炭对根际生物组的影响提供了强大工具。

2 根际生物组中生物炭影响的组学科学文献计量分析

通过Scopus数据库的文献计量分析显示，自2019年以来，利用组学科学评估生物炭对根际生物组影响的研究显著增加。关键词共现网络分析表明，“生物炭”是出现频率最高的关键词，与“转录组”、“宏基因组”、“代谢组学”等形成紧密聚类。然而，宏转录组学和宏蛋白质组学等关键概念在现有研究中代表性不足，提示这些领域仍是未来研究的重要方向。

3 利用宏基因组学阐明生物炭诱导的根际生物组变化

宏基因组学作为一种不依赖培养的技术，能够全面解析生物炭添加后根际微生物群落的组成和功能变化。研究方法通常包括从生物炭改良的根际土壤中采集样本、提取DNA、扩增16S rRNA/ITS区域并进行高通量测序及生物信息学分析。研究表明，生物炭对根际生物组的影响具有背景依赖性，受生物质来源、热解温度、施用率、土壤类型及作物系统等多种因素调控。例如，500°C热解稻壳生物炭以1 t ha^-1的施用量可增加有益微生物（如芽孢杆菌属、链霉菌属）的丰度，同时降低致病真菌（如镰刀菌属）的相对丰度。功能宏基因组学进一步揭示了生物炭添加后硫代谢相关基因（如CysH、CysJ）的上调，可能与病原菌抑制有关。然而，生物炭对微生物群落的具体响应模式仍存在争议，例如，2% (w/w)竹生物炭在菲污染土壤中反而抑制了菲的降解，这与生物炭通常促进多环芳烃（PAH）修复的角色相悖。这凸显了建立生物炭生产、施用及样本分析标准化协议的必要性，以提高研究结果的可比性和普适性。

4 通过宏转录组学洞察植物-微生物互作的功能

宏转录组学通过分析环境样本中的mRNA，能够揭示特定条件下微生物群落中活跃转录的功能基因，从而区分“谁在”和“谁在活动”。该技术有助于解析生物炭添加后根际生物组的功能响应及其与植物的双向通讯。例如，对有机认证生物炭处理的番茄根际进行宏转录组学分析发现，微生物基因表达整体上调，特别是与固氮、碳氮循环、有机物降解及病害抑制相关的功能基因富集，这从功能层面解释了生物炭促进植物生长的机制。基因组中心的宏转录组学进一步将转录本映射到宏基因组组装基因组（MAGs）上，精确定位关键微生物的功能活性，如发现玉米秸秆水热炭富集了Syntrophomonas sp. FDU0164和Methanosarcina sp. FDU0106，促进了厌氧消化中的直接种间电子传递和产甲烷过程。植物转录组学与根际生物组宏组学的整合分析揭示了系统诱导的根系代谢物分泌（SIREM）现象，即邻近植物通过根际生物组介导，能够调节另一植物的基因表达和代谢谱，这是一种根-根长距离信号传导机制。然而，宏转录组学应用仍面临mRNA半衰期短、产量低、植物RNA污染、腐殖酸干扰等挑战，需要优化样本处理和分析流程。

5 宏蛋白质组学揭示生物炭对根际生物组的影响

宏蛋白质组学通过鉴定环境样本在特定时间点的全部蛋白质集合，直接反映微生物群落的功能状态。由于蛋白质半衰期较长，该技术能更稳定地揭示生物炭添加后根际生物组的活性功能谱。生物炭通过改变土壤养分有效性影响根际酶活性，进而反映核心功能微生物对土壤营养变化的响应。然而，土壤基质的复杂性、腐殖酸等污染物的干扰、低蛋白覆盖率以及蛋白质提取和鉴定技术的难度，严重限制了宏蛋白质组学在生物炭-根际生物组研究中的应用。未来需要开发更高效的蛋白质提取方法、改进仪器分析技术和生物信息学工具，以克服这些瓶颈。

6 宏代谢组学揭示生物炭对根际生物组的影响

宏代谢组学关注环境样本中的全部代谢物集合，即代谢组。生物炭添加会引发植物分泌次级代谢物以响应土壤环境变化，这些代谢物进而影响微生物的招募和根际生物组的构建。同时，根际生物组也通过SIREM等现象反馈调节植物根系分泌代谢物。因此，生物炭-植物-根际生物组-土壤环境之间存在复杂的四向互作。代谢组学分析技术（如LC-MS、GC-MS、NMR）能够检测和量化这些变化。研究表明，生物炭处理可诱导植物积累参与苯丙烷/类黄酮生物合成的差异积累代谢物（DAMs），从而激活植物免疫反应。在修复方面，代谢组学分析揭示了生物炭在促进石油烃生物降解、降低土壤镉（Cd）有效性等方面的潜力，例如，1%玉米秸秆生物炭（550°C热解）与尿素联用可上调黑麦草根际中萘和蒽降解、丙酮酸代谢等途径相关的代谢物。将宏代谢组学与宏基因组学、宏转录组学整合，能够更全面地理解生物炭介导的根际代谢网络和微生物功能之间的联系。

7 挑战、局限性与未来展望

应用多组学技术研究生物炭对根际生物组的影响仍面临诸多挑战。根际环境的复杂性导致样本代表性难以保证；土壤异质性、环境条件波动以及DNA/RNA/蛋白质/代谢物提取方法的选择都会引入偏差并影响数据准确性。宏转录组学易受植物RNA污染和mRNA不稳定的困扰；宏蛋白质组学和宏代谢组学则受限于土壤基质干扰、低提取效率和复杂的数据解析。此外，缺乏强大的生物信息学工具来整合多组学数据，限制了新微生物、代谢途径和蛋白质功能的发现。未来研究需致力于制定标准化实验方案，改进样本处理和分子技术，开发先进的计算生物学方法，并加强系统生物学、生物信息学等多学科合作。克服这些障碍将有助于构建预测模型，指导开发针对特定土壤-作物系统的精准生物炭策略，最终实现通过调控根际生物组提升农业可持续性和环境韧性。

8 结论

本综述阐明，生物炭不仅是改良土壤结构的添加剂，更是根际微生物选择和功能转化的主动调节者。多组学证据，特别是来自宏基因组学和宏转录组学的证据，揭示了生物炭如何改变微生物群落的结构、基因表达和代谢活性，这些功能变化与根-土界面酶合成、代谢物交换和信号通路等关键生物过程密切相关。研究强调了生物炭原料来源和热解温度对其效应的重要影响，同时也指出了生物炭作用的背景依赖性及其在某些情况下可能产生的矛盾效果。宏转录组学在解析植物生长促进相关代谢通路基因差异表达方面作用关键，而宏蛋白质组学和宏代谢组学则分别从蛋白质功能和代谢谱层面提供了更深层次的机制见解。然而，对生物炭效应的全面理解亟需多组学技术的整合应用，这目前仍受限于方法学、专业知识和仪器设备的不足。将生物炭从一种有潜力的土壤改良剂发展为设计有益植物-微生物互作的战略工具，最终取决于对系统水平方法的采纳。此类努力不仅将提高农业产量和土壤健康，还将在应对全球环境挑战方面为可持续土地管理做出重要贡献。