综述：土壤下的私语：大豆根际中的微生物通讯途径

《Frontiers in Plant Science》：Whispers beneath the soil: soybean-microbe communication pathways in the rhizosphere

本综述系统阐述了大豆根际中植物与微生物的双向通讯机制，重点分析了类黄酮、皂苷和植物激素等根分泌物在调控微生物群落中的关键作用，以及微生物产生的结瘤因子（Nod factors）、效应蛋白和ACC脱氨酶等信号分子如何促进共生或致病。文章深入探讨了环境胁迫（如干旱、盐碱）和农业实践（如间作、连作）对这些互作的影响，强调了通过理解这些分子对话来开发可持续农业策略的潜力，以增强作物抗逆性和生产力。

　　

植物到微生物的通讯

植物与土壤微生物通过分泌不同的代谢物和分子进行交流。植物根系分泌多种代谢物，包括类黄酮、激素和有机酸，这些物质有助于在根际招募或排斥微生物。根分泌物的分泌受到营养需求、环境条件和植物发育阶段等因素的调节。例如，干旱或盐胁迫等环境压力会触发氨基酸和有机酸等分泌物的释放，从而吸引适应此类条件并能缓解胁迫的微生物物种。

类黄酮

类黄酮是一类在植物界广泛分布的天然多酚化合物。大豆和其他豆科植物特别富含一种独特的类黄酮亚类，称为异黄酮。异黄酮在结构上以3-苯基色原酮为骨架。由于类黄酮分子核上酚羟基的存在，它们构成了一个次级活性氧（ROS）清除系统，以平衡植物体内的氧化水平。除了作为ROS清除剂，异黄酮还可以作为信号分子和化感物质，吸引或排斥大豆根际的微生物，从而帮助塑造微生物群落的组成。

大豆异黄酮促进植物与根瘤菌的相互作用。染料木黄酮和黄豆黄苷等异黄酮已被证明能诱导根瘤菌中结瘤相关基因的表达。豆甾醇是大豆叶片中丰富的香豆雌酚异黄酮之一，也被证明能诱导根瘤菌的结瘤（nod）基因，并通过增加根瘤数量来增强大豆结瘤。异黄酮合酶（IFS）是异黄酮生物合成的关键酶；IFS-RNAi大豆突变体在根际的根异黄酮水平显著降低。对IFS-RNAi大豆突变体的根际微生物组成分析显示，近端土壤中的细菌类群发生了改变，表明异黄酮可能抑制Comamonas spp.的存在，同时促进Xanthomonas spp.。同样，栽培大豆植株分泌的土壤染料木黄酮和黄豆黄苷浓度与土壤真菌物种的相对丰度呈正相关。同时，染料木黄酮与革兰氏阳性菌和好氧菌的总体丰度呈正相关。土壤中黄豆黄苷浓度的增加与Comamonadaceae的丰度增加有关。

然而，类黄酮不仅促进有益的植物-微生物相互作用。染料木黄酮和黄豆黄苷不仅能吸引共生体，还能通过趋化吸引吸引大豆病原体Phytophthora sojae。P. sojae的游动孢子表现出对染料木黄酮和黄豆黄苷的趋化性，接触后诱导其快速包囊和萌发。此外，使用IFS-RNAi大豆突变体的研究表明，异黄酮参与了根中的程序性细胞死亡，这有助于对P. sojae的小种特异性抗性。大豆连续单作中染料木黄酮和黄豆黄苷的积累导致土壤微生物群落发生变化，大豆根际中Fusarium spp.富集。

大豆根系分泌物中类黄酮的分泌对环境胁迫敏感，可能影响与微生物的相互作用。据报道，在大豆根瘤中，异黄酮、丙二酰黄豆苷和丙二酰染料木苷的分布在干旱或碱胁迫条件下显示出从皮层向更靠近根的根瘤基部的转移。信号分子在胁迫下的这种空间重新分布可能与增强的大豆-根瘤菌共生有关，从而加强了在不利条件下的适应性。另一项研究发现，同时接种根瘤菌和丛枝菌根真菌（AMF）可提高大豆对干旱胁迫的耐受性，从而改善种子产量和质量。

大豆皂苷

大豆皂苷是豆科植物常见的齐墩果烷三萜苷类化合物。根据其苷元，大豆皂苷可分为两大主要组别：A组和B组。同时，根据它们是否与2,3-二氢-2,5-二羟基-6-甲基-4-吡喃酮（DDMP）或C-22位的酮结合，可以分别从B组大豆皂苷衍生出DDMP大豆皂苷和E组大豆皂苷。尽管大豆皂苷在土壤中的生物学功能尚未完全了解，但已证明大豆在不同发育阶段选择性地分泌不同组别的大豆皂苷，并且根据每种大豆皂苷的相对浓度，这种分泌模式被提议影响土壤中宏观生物和微生物的微生物组成和活动。已证明大豆皂苷Bb是土壤中分泌的最丰富的大豆皂苷形式之一，可能被细菌群落利用。此外，特定的细菌家族，如Novosphingobium spp.和Sphingomonadaceae，表现出对大豆皂苷Bb的剂量依赖性富集，表明大豆皂苷在促进大豆与土壤微生物之间的通讯中具有潜在作用。

植物激素

植物激素是调节大豆生长、发育和胁迫反应的信号分子。与其他植物类似，在非生物和生物胁迫下，大豆体内的植物激素水平会出现失衡。此外，研究强调了它们在影响大豆与土壤微生物相互作用中的重要性。

独脚金内酯（SLs）是一类类胡萝卜素衍生的萜类内酯，共同拥有一个丁烯内酯环（D环）。外源补充独脚金内酯可增强大豆幼苗对碱胁迫的耐受性。此外，叶面喷施独脚金内酯已被证明可以改善干旱胁迫下的渗透调节和抗氧化防御。

敲低或过表达SL生物合成和信号传导基因GmMAX3、GmMAX1a和GmMAX4a的大豆突变体显示出相关基因表达的改变。据报道，GmMAX1a-和GmMAX4a敲低大豆品系的SL生物合成途径存在缺陷，导致根毛长度减少和结瘤抑制。另一方面，敲低推测的SL抑制因子GmD53a导致大豆根中根瘤数量增加。过表达独脚金内酯生物合成基因GmMAX1d的大豆突变体具有高度差异的根际细菌组成，特异性富集了细菌属Shinella和Bdellovibrio。此外，GmMAX1d-过表达系还导致真菌物种Fusarium solani的特异性富集。

生长素是一组关键的生长激素，负责调节植物发育、萌发和根构型，而吲哚-3-乙酸（IAA）是植物中最丰富的生长素形式。内源生长素水平也可能影响植物适应胁迫的方式。例如，耐热胁迫的大豆通常具有高水平的IAA和赤霉素（GAs）。生长素也参与调节微生物与大豆之间的相互作用。据报道，在受到Phytophthora sojae挑战时，中度感病大豆品种Sloan的生长素代谢物IAA-Ala水平高于中度抗病品种Conrad。此外，品种Conrad显示出更高的生长素外排转运蛋白基因Pin-formed（GmPIN）的表达，表明其在抵抗病原体方面具有IAA分解代谢的能力。施用生长素也有助于控制大豆幼苗中抗生素抗性细菌的传播。

乙烯（ET）是最简单的烯烃，以碳碳双键的存在为特征，根据其浓度和施用时间，在调节生长和衰老方面发挥双重功能。用乙烯诱导剂乙烯利处理大豆，可激活乙烯生物合成基因，并通过抑制真菌生长提高对Fusarium virguliformes的抗性。一个乙烯受体GmEtr1和GmEtr2发生突变的乙烯不敏感突变体，在感染Pseudomonas syringae pv. glycinea和Phytophthora sojae时表现出较低的敏感性和疾病严重程度；同时对Septoria glycines和Rhizoctonia solani感染表现出更严重的症状。接种Bradyrhizobium japonicum后，野生型大豆中的乙烯水平被诱导。相反，当接种异源根瘤菌Rhizobium leguminosarum bv. Viciae时，在不结瘤大豆突变体中未观察到乙烯水平的这种诱导。过表达乙烯响应转录因子GmENS1和GmENS2加速了大豆根瘤的衰老；同时，敲低这两个转录因子导致衰老延迟。在大豆中补充乙烯前体1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC），通过增加类黄酮向根际的分泌，提高了对碱和干旱胁迫的耐受性。此外，基于DNA的qPCR显示，在碱和干旱复合条件下，补充ACC的土壤中16S细菌丰度和ITS真菌丰度均显著增加。这突出了植物激素及其前体在调节大豆基因表达、招募多样化微生物群落以缓解胁迫方面的潜力。

水杨酸（SA）是一种单羟基苯甲酸，存在于大豆根系分泌物中，在植物先天免疫和病原体抗性中起着至关重要的作用。SA水平与植物对许多微生物的诱导抗性呈正相关。SA对于大豆防御大豆花叶病毒（SMV）是必不可少的。诱导表达SA羧基甲基转移酶基因GmSAMT1赋予了对大豆胞囊线虫更好的抗性。类似地，外源SA应用导致对Fusarium solani的诱导抗性，而外源SA处理抑制根瘤的早期形成。尽管SA对大豆根际微生物群落的影响尚不清楚，但在拟南芥中，SA生物合成或信号传导被破坏的突变体导致与野生型植物相比根系微生物组组成的改变。

有机酸和其他代谢物

植物根系分泌物通常含有多种代谢物，包括糖、氨基酸、有机酸和肽，这些物质有助于塑造根际微生物组。大豆根系分泌物含有N-环己基甲酰胺、黄嘌呤和2,4,5-三甲氧基苯甲酸，这些物质有助于招募Pseudomonas spp.。大豆根系分泌物中的谷氨酸、天冬氨酸和二羧酸作为根瘤菌的天然趋化剂，促进根瘤的形成。大豆根系分泌物中的氨基酸，包括丙氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、丝氨酸和苏氨酸，诱导潜在生物防治剂Bacillus megaterium strain B153-2-2向大豆宿主的趋化性，以帮助对抗立枯丝核菌根腐病。过表达一个推测的大豆氨基酸转运蛋白Rhg1‐GmAAT可增强谷氨酸转运并激活茉莉酸（JA）途径，从而增加对大豆胞囊线虫的抗性。此外，已发现某些氨基酸，包括脯氨酸和谷氨酸，在各种胁迫条件下对作物具有保护作用。

此外，有人提出大豆根系分泌物中的柠檬酸可作为对Phytophthora sojae游动孢子的驱避剂。盐胁迫下的大豆植株分泌嘌呤和黄嘌呤，这可能诱导具有已证实的耐盐性增强能力的野生大豆中Pseudomonas spp.的趋化反应。此外，将黄嘌呤外源应用于非胁迫大豆导致微生物群落发生变化，反映了在盐胁迫大豆根际观察到的微生物组成。

微生物到植物的信号传导

微生物也可以分泌蛋白质或肽效应子来增强感染或促进与宿主植物的共生。这些微生物可能分泌酶或植物激素来调节根际或植物体内的植物激素，从而促进感染或在各种条件下促进植物生长。一些微生物还可以分泌代谢物来调节植物基因表达或改变植物根构型，以促进与大豆的相互作用。

蛋白质和肽

病原微生物经常分泌各种效应子以促进感染，效应子识别显著影响这些微生物在大豆等植物中的毒力。同时，根瘤菌和AMF通常产生专门的效应子以促进与大豆的有益共生。在识别来自豆科宿主释放的结瘤诱导物后，根瘤菌产生结瘤因子（Nod factors），这些因子对于根瘤的形成及其与豆科植物的共生关联的维持至关重要。由植物或环境信号激活的NodD蛋白诱导结构nod操纵子的转录，导致结瘤因子的产生。根瘤菌中可能存在多个nodD拷贝以响应各种诱导物。结瘤因子由一个乙酰氨基葡萄糖寡聚骨架与各种长链脂肪酰基和官能团连接而成，也称为脂壳寡糖（LCOs）。不同形式和结构的结瘤因子有助于根瘤菌-植物相互作用中的宿主特异性。大豆植物通过一种脂寡几丁质LysM型受体激酶识别这些结瘤因子。识别结瘤因子导致根系重编程，引起根毛卷曲和感染线发育，从而促进根瘤菌的进入和根瘤的形成。类似地，真菌可能释放Myc因子，该因子由几丁质寡聚体（COs）和LCOs的混合物组成，作为刺激豆科植物根中丛枝菌根形成的共生信号。然而，大豆中Myc因子识别的受体激酶尚未探索。

许多效应子是蛋白质或肽。研究最深入的保守表位之一是flg22，它是细菌鞭毛蛋白中存在的一个22氨基酸肽，被富含亮氨酸重复序列的受体样激酶（LRR-RLK）FLAGELLIN SENSING2识别。逃避宿主病原体相关分子模式（PAMP）识别的能力有助于感染和病原体增殖。例如，含有与其他豆科植物不同的特殊flg22结合结构域的大豆GmFLS2，允许感知来自Ralstonia solanacearum的多态性flg22，有助于大豆对Ralstonia的抗性。相反，沉默GmFLS2通过损害Psg-flg22识别导致GmMAPK信号通路缺陷，从而降低大豆植株对Pseudomonas syringae pv. glycinea的抗性。Phytophthora sojae效应子PsAvh238中的N端结构域Arg-X-Leu-Arg（RXLR）有助于病原体逃避宿主识别，其核苷酸序列仅需一个突变，同时保留抑制植物免疫和增强感染的能力。

一些微生物蛋白质通过调节植物激素水平作为促进相互作用的策略。例如，Phytophthora效应子PsAvh238靶向乙烯生物合成酶1-氨基环丙烷-1-羧酸合酶（ACS），以 destabilize Type 2 GmACSs 并下调乙烯生物合成，从而促进宿主感染。

乙烯调节植物生长、发育和对胁迫的防御，然而，乙烯及其前体ACC的过度积累，通常会导致在热、盐、干旱、涝渍和营养生物利用度低等各种环境胁迫下植物生长受到抑制。一些与大豆相互作用的微生物具有ACC脱氨酶活性，可以通过将ACC脱氨基为α-酮丁酸和氨（NH₃）来降低植物中积累的ET。较低的ET水平加上增加的NH₃水平，通常与改善的根生长相关，这可能最终促进植物-微生物相互作用。微生物代谢物在促进大豆与微生物相互作用中的潜在功能如图2所示。

某些与大豆相互作用的有益微生物产生酶，将营养物质从土壤中的不溶性形式转化为更具生物可利用性的形式。这一过程增强了营养可用性，促进了根生长，并通过扩大可用于这些相互作用的区域间接促进了植物-微生物相互作用。磷酸酶和植酸酶都是必不可少的酶，它们矿化磷酸化合物，将正磷酸盐释放到土壤中，供大豆吸收利用。细菌属Cupriavidus已显示出酸性磷酸酶活性，并且在磷缺乏的酸性土壤中栽培的大豆根际特别富集。此外，商业接种剂，包括Priestia megaterium (Ag87)、Lysinibacillus sp. (Ag94)、Priestia megaterium (B119) 和 Bacillus subtilis (B2084)，表现出植酸酶以及酸性和碱性磷酸酶活性，这有助于提高低磷土壤下大豆栽培的磷利用效率和依赖性。

植物激素

通过根施或叶面喷施进行植物激素的外源应用可能有助于减轻非生物胁迫对大豆植株的负面影响。许多与大豆相互作用的微生物产生植物激素，这可能有助于植物更好地生存。例如，大豆促生细菌Bacillus aryabhattai strain SRB02可以产生脱落酸（ABA）、IAA、细胞分裂素和赤霉酸（GA），进而在氧化和亚硝化胁迫下调节大豆这些内源植物激素的水平。一种内生真菌Curtobacterium oceanosedimentum SAK1产生ABA、IAA和GA，在盐胁迫下增强根构型的发育。内生细菌Bacillus cereus SA1可以改善大豆耐热性，同时产生生物活性赤霉素和IAA。一种在热胁迫下的大豆促生细菌Bacillus tequilensis SSB07分泌GA、IAA和ABA。几种IAA产生细菌分离株，AKAD A1-1, AKAD A1-2, 和 AKAD A1-16，与Bacillus cereus (MN079048), Pseudomonas otitidis (MW301101), 和 Pseudomonas sp. (MN079074) 密切相关，在干旱胁迫下促进大豆生长。Pseudomonas putida TSAU1与根瘤菌Bradyrhizobium japonicum USDA 110和大豆品种YC03-3形成三方相互作用，产生IAA同时缓解大豆盐胁迫。

一些研究发现，微生物产生的植物激素可能有助于调节微生物与植物之间的相互作用。一个将色氨酸分解代谢为IAA的Rhizobium japonicum突变体B-14075可以增强大豆的根瘤形成。接种B-14075的大豆显示根重和根瘤体积显著增加，这是结瘤增强的结果。据推测，根部积累的IAA或生长素促进了养分向根的重新分配，从而改善了微生物对养分的获取。

大豆病原体Xanthomonas campestris pv. glycines和Pseudomonas syringae pv. syringae能够产生包括IAA在内的各种吲哚类物质。IAA被证明对植物组织具有多重影响，这可能促进细菌繁殖。一项关于Arabidopsis thaliana的研究表明，生长素信号传导是对Pseudomonas syringae DC3000（PtoDC3000）易感性所必需的。植物中生长素信号传导的中断减少了IAA产生病原体PtoDC3000的生长，从而降低了植物的易感性。相反，植物中内源IAA水平升高与SA介导的防御抑制相关，促进了PtoDC3000的致病性。此外，有人提出外源生长素可以通过增加细胞壁延展性来刺激植物组织的快速伸长，从而促进微生物与植物宿主的相互作用。

有机酸和其他代谢物

尽管其招募模式以及与植物促生细菌的相互作用机制在很大程度上尚未探索，但能够产生促生或缓解胁迫的有机酸和其他次级代谢物的微生物的能力通常在大豆根际富集。例如，解磷细菌Ag94和Ag87在不溶性磷酸盐存在下分泌乳酸、苹果酸和乙酸。同时，B119和B2084产生葡萄糖酸、苹果酸和乙酸。这些有机酸有助于酸化根际，螯合阳离子，并促进土壤中可溶性正磷酸盐的释放，从而提高大豆的磷利用效率。一种从大豆田分离的植物促生PGPR Bacillus aryabhattai SRB02分泌低浓度的丁酸。这种分泌促进了大豆地上部和根部的生长，增加了叶绿素含量，并提高了鲜重和干重。一项关于P. putida KT2440突变体mus-20、mus-42和EU206菌株的研究显示胞外多糖（EPS）产量升高。将这些突变菌株接种到大豆上，在盐条件下显示出改善的萌发和生长参数。利用其他作物的其他研究表明，植物促生细菌产生的EPS可能有助于增强土壤中的水分可用性，同时促进阳离子（包括钠离子）的结合。

表1总结了参与大豆-微生物相互作用的代谢物。

环境因素和土壤条件影响大豆-微生物信号传导和相互作用

微生物群落的多样性可能受到土壤理化性质的影响，从而影响土壤内的植物-微生物相互作用。研究表明，细菌和真菌群落的组成与特定的土壤性质相关，如粉砂与粘土的比率、pH值和碳氮（C:N）比。细菌生物多样性通常在中性土壤中最高，并随着pH值降低而减少。此外，优势微生物的类型也可能受到土壤性质的影响。例如，Acidobacteria spp.在较高pH值的土壤中富集，而α-Proteobacteria则减少。类似地，Agaricales spp.的真菌丰度与C:N呈正相关，而Sordariomycetes的丰度则呈负相关。

各种土壤理化性质，包括pH值、温度、水分含量、盐度和氧气可用性，可以显著影响大豆和根瘤菌之间的相互作用。此外，根瘤菌与土壤中现有微生物群的相容性在结瘤和固氮效率中也起着关键作用。两个主要的大豆相互作用根瘤菌属，Bradyrhizobium和Sinorhizobium（Ensifer），在不同的土壤条件下表现出不同的竞争力和结瘤能力。研究表明，Bradyrhizobium是中性和酸性土壤中的优势属，而Sinorhizobium在碱性-盐渍土中占主导地位。尽管根瘤菌能适应不同的土壤条件，但土壤微生物群的组成也可能影响根瘤菌的生长和结瘤。例如，Bacillus cereus促进Sinorhizobium spp.的生长和结瘤，同时抑制Bradyrhizobium spp.。此外，B. cereus和Sinorhizobium spp.之间的相互作用减轻了盐碱条件对结瘤的负面影响。活性水溶性腐殖酸（土壤中的关键碳源）的量通过抑制大豆免疫和ET产生对结瘤产生积极影响。此外，当大豆植株接种Bradyrhizobium spp.时，较高浓度的腐殖酸钾（一种包含腐殖酸和富里酸的腐殖质产品）与根瘤数量增加相关。

不同的土地利用类型并不总是支持独特的土壤真菌或细菌群落，但它们更可能与这些群落相对丰度的改变相关。某些土地利用管理实践，如单作和间作，可能导致微生物群落的变化。例如，大豆单作在大豆胞囊线虫（SCN）Heterodera glycines连续种植的头五年内增加了其种群。令人惊讶的是，在长时间的单作下，SCN种群实际上受到抑制，同时伴随着Streptomyces和Rhizobium spp.丰度的增加。类似地，长期的大豆单作实践改变了微生物群落，导致有助于抑制SCN的Pseudomonas、Purpureocillium和Pochonia spp.水平增加。连续大豆单作还导致大豆根际中Fusarium群落的富集。同时，另一项研究发现，与大豆-玉米间作系统相比，连续大豆单作富集的Fusarium种群具有更高的致病性，导致大豆根腐病的严重程度和发生率增加。

一项关于大豆-玉米间作系统的研究表明，与各自的单作系统相比，植物根系分泌物中的氨基酸和有机酸存在差异性富集。将大豆-玉米间作系统的根系分泌物应用于大豆单作，显示从枝菌根真菌（AMF）Glomus Glomeraceae的相对丰度增加，这与定殖率提高和植物生长改善相关。据推测，改变的分泌物组成可能提供额外的碳源，有利于根际微生物群落的招募。

宿主特异性对土壤微生物招募和相互作用的影响

基因型变异可能影响功能共生体相互作用的特异性和效率。因此，物种间的相互作用可能不会普遍成功，如图3所示。例如，在干旱条件下，AMF Rhizophagus clarus接种剂优先定殖大豆品种Desafio，而非Anta82。据推测，同一植物物种的不同基因型可能表现出改变的基因表达，影响它们与微生物的相互作用。SQUAMOSA PROMOTER-BINDING PROTEIN-LIKE（SPL）蛋白在改善植物的生理发育和构型方面起着至关重要的作用。与它们的野生型遗传背景相比，表达GmSPL9d的转基因大豆在干旱条件下接种AMF R. irregularis时表现出增强的光合活性和生长参数。

微生物与大豆植物相互作用的结果可能因所涉及的特定微生物和大豆基因型而异。用Pseudomonas fluorescens、P. putida或B. subtilis接种大豆品种在缓解盐胁迫方面显示出不同程度的效果。值得注意的是，在200 mM NaCl下，P. fluorescens接种显示大豆中脯氨酸诱导显著，而P. putida和B. subtilis仅在400 mM NaCl下诱导脯氨酸水平。此外，接种P. fluorescens导致耐盐品种Crawford中的过氧化氢酶、抗坏血酸过氧化物酶和谷胱甘肽还原酶活性高于较不耐盐的Giza-111和Clark。内生Bacillus licheniformis P2.3和根际细菌Bacillus aerius S2.14已被证明与大豆宿主积极相互作用，表现出多种植物促生特性。然而，在碱性条件下，只有接种B. licheniformis