综述：疣微菌门（Verrucomicrobiota）研究进展与热点：聚焦农业生态系统

《Microbial Ecology》：Advances and Hotspots in Research on Verrucomicrobiota: Focus on Agroecosystems

本综述系统梳理了土壤中丰度较高但研究相对不足的疣微菌门（Verrucomicrobiota）细菌的最新研究进展。文章重点探讨了该类群在农业生态系统中的生态功能，包括其在碳（C）、氮（N）、磷（P）等关键元素生物地球化学循环中的作用（如产生纤维素酶、几丁质酶等水解酶，参与反硝化、氨化等过程），以及作为植物根际促生菌（PGPB）和生防菌的潜力（如产生吲哚-3-乙酸（IAA）、铁载体等）。同时，综述重新评估了其传统上被认为是寡营养型（oligotroph）的生命策略，指出其实际包含从富营养型（copiotroph）到寡营养型的多样化生活史策略（r/K策略及C-S-R框架），并展望了其在可持续农业中的应用前景。

　　

引言

细菌界的疣微菌门（Verrucomicrobiota）成员在多种环境中广泛存在，包括淡水、海洋环境、极端环境（如热泉、泥火山）甚至动物体内共生。尽管从土壤中分离出的属相对较少，但16S rRNA基因分析表明，它们可能是土壤环境中的优势细菌门之一，其相对丰度可能被低估。疣微菌门在进化上属于PVC超类群（Planctomycetes-Verrucomicrobia-Chlamydia-Lentisphaera），与衣原体门（Chlamydiota）亲缘关系最近。该门类细菌具有独特的适应性，例如蛋白质中的保守特征插入片段（CSIs），这可能有助于其适应多样化的生态位。

疣微菌门研究的文献计量学景观

近十年来，以疣微菌门为重点研究的年度出版物数量和引用次数均显著增加，表明其已成为研究热点。超过一半的相关文章来自亚洲国家，其中中国贡献最多，美国次之。关键词共现网络分析揭示了当前研究的几个主要方向：微生物群落、土壤、丰度、多样性、细菌群落、有机肥料、氮肥以及根际。值得注意的是，与“甲烷氧化”和“温室气体”相关的关键词出现时间较晚，反映了该领域的新兴趋势，尽管疣微菌门在甲烷转化中的作用已被认识，但其在调节这种强效温室气体排放中的作用仍知之甚少。

疣微菌门在农业生态系统中的作用

疣微菌门虽然难以培养，但其在土壤中的高相对丰度预示着重要的生态功能。它们参与养分循环，并显示出生物防治和生物修复的潜力。

碳循环

疣微菌门是土壤碳（C）循环的重要参与者。它们能够分解最常见的生物聚合物，主要是结构和储存多糖，如纤维素、果胶和淀粉，这得益于其产生水解酶（如纤维素酶、木聚糖酶、几丁质酶）的能力。例如，陆地Opitutus（Opitutus terrae）和黄色Chthoniobacter（Chthoniobacter flavus）以分解复杂有机化合物、促进土壤碳矿化而闻名。研究表明，水稻相关分离株中含有高密度的糖苷水解酶基因。此外，疣微菌门的甲烷氧化菌（如Methylacidiphilum, Methylacidimicrobium）能够在酸性或嗜热条件下氧化甲烷，对缓解温室效应有贡献。这些甲烷氧化菌最初发现于火山土壤，但后续研究也在非极端环境（如泥炭地、水稻田）中检测到它们的活性。

疣微菌门对含碳有机改良剂（如秸秆还田）的响应存在高度可变性，这与其多样化的生活史策略（r-策略者或K-策略者）和功能特性有关。有些研究显示土壤有机碳（SOC）和溶解性有机碳（DOC）与疣微菌门相对丰度呈正相关，而另一些研究则报告了负相关。这种差异可能源于疣微菌门不同类群的生命策略和生态角色的差异。例如，Spartobacteria纲的成员（如Ca. Udaeobacter）通常与低土壤碳含量相关，表现出寡营养特性；而Opitutia纲和Verrucomicrobiia纲的Luteolibacter属等则显示出更复杂的响应模式，有时与碳含量正相关。

氮循环

疣微菌门成员参与氮（N）循环的多个步骤，包括反硝化、含氮化合物（如尿素）的分解。例如，Opitutus和Pedosphaera被认为是典型的反硝化菌，而Chthoniobacter flavus既能进行反硝化也能进行厌氧氨氧化（anammox）。许多Opitutia纲的成员是固氮菌（diazotrophs），尤其是在白蚁肠道中共生的种类。同样，从温室发酵器中分离的R. amyloverans菌株也具有固氮能力，nif基因（编码固氮酶）也在一些根际分离株和页岩环境中发现。相反，从人工湿地分离的Lacunisphaera sp.则含有nrf基因（编码异化性硝酸盐还原酶），表明其参与氨化过程。这些过程对于增加土壤中有效氮（AN）库至关重要。

疣微菌门对氮肥的响应同样多样。矿物氮肥（如尿素）的施用可能会抑制固氮菌群的活性，从而导致某些疣微菌门类群的丰度下降，但也会促进那些能够利用特定氮源（如铵态氮、硝态氮）的类群。有机氮肥（如粪肥、秸秆）的施用通常提供碳源，可能促进那些具有降解复杂生物聚合物（如纤维素、木质素）基因的疣微菌门类群的增殖。然而，研究结果并不一致，有些研究报道了有机肥施用后疣微菌门丰度的增加，有些则报道了减少。在较低分类水平上，例如Opitutia纲和Pedosphaerae纲的成员，对土壤氮含量的响应也各不相同，但Pedosphaerae纲的类群似乎普遍对氮添加呈负响应。

磷循环和土壤pH值

部分疣微菌门成员参与磷（P）的水解，它们能够产生碱性磷酸酶、酸性磷酸酶和萘酚-AS-BI-磷酸水解酶等酶，有助于溶解磷酸盐。例如，Luteolibacter luteus被证实产生上述三种酶，一些水稻根际分离株则含有酸性磷酸酶和柠檬酸合酶的基因，后者可能通过产生葡萄糖酸来促进磷的溶解。

多数宏分类学研究提示疣微菌门与土壤低磷水平相关，但也有研究报道了正相关关系，表明不同类群对磷的响应存在差异。关于钾（K）的研究结果也类似，响应多变。土壤pH值是影响细菌群落结构和活性的关键因素，但其与疣微菌门整体丰度的关系尚不明确，不同研究报道了正相关或负相关。在更精细的分类水平上，不同类群对pH的响应各异，例如Opitutia和Methylacidiphilae与pH负相关，而Verrucomicrobiia和Spartobacteria与pH正相关。

疣微菌门的生活史策略

传统上，疣微菌门常被归类为寡营养型（K-策略者），适应低营养环境，生长缓慢。然而，越来越多的证据表明，该门类中包含对养分含量增加呈正响应的类群，显示出富营养型（r-策略者）的特征。这种不一致性凸显了将疣微菌门严格划分为r/K策略的局限性。因此，有学者提出将竞争者-胁迫耐受者-机会主义者（C-S-R）生命策略框架应用于微生物群落。在此框架下，竞争者（C）擅长在高营养环境中生长；胁迫耐受者（S）适应低营养或其他环境胁迫；机会主义者（R）能快速响应短暂的养分输入或干扰。例如，嗜酸嗜热的甲烷氧化疣微菌（如Methylacidiphilaceae）可被视为胁迫耐受者（S），而生活在营养更丰富或受干扰环境中的类群可能表现出竞争者（C）或机会主义者（R）的特征。

疣微菌门作为植物根际促生菌和生防菌

疣微菌门具有直接和间接促进植物生长的潜力。直接机制包括产生植物激素（如IAA）、通过固氮酶活性进行生物固氮、通过释放有机酸溶解磷酸盐。间接机制包括通过产生抗生素化合物（如聚酮化合物和脂肽）或激发植物诱导系统抗性（ISR）来抑制植物病原体。已有研究表明，某些疣微菌门菌株是根际竞争性细菌，能够趋向植物根系并利用根系分泌物中的养分。从水稻中分离的菌株被证实能产生IAA，并且一些菌株含有nif基因，突出了其作为植物根际促生菌（PGPB）的潜力。

在生物防治方面，Chthoniobacter属的细菌被报道参与抑制拟南芥和香蕉中的植物病原菌Fusarium oxysporum，这可能与其合成次级代谢产物的能力有关。基因组学研究揭示了该门细菌在产生萜类、肽类和聚酮类等次级代谢产物方面的巨大潜力，其中Luteolibacter显示的次级代谢物生物合成基因簇范围最广。此外，其降解纤维素的能力也可能有助于对抗细胞壁含有纤维素的植物病原体（如卵菌门的Phytophthora infestans）。一些疣微菌门细菌还表现出抗氧化活性，例如在Ca. Udaeobacter中发现了编码铜/锌超氧化物歧化酶和过氧化氢酶-过氧化物酶的基因。

结论与未来展望

疣微菌门是土壤中主要的细菌门之一，其生态重要性使其被视为关键类群（keystone phylum）。随着测序技术的进步，对其营养策略的认识已从单纯的寡营养型转变为包含寡营养型和富营养型的多样化谱系。例如，Opitutae纲包含富营养型和寡营养型，而Spartobacteria纲主要包含寡营养型。

土壤中富营养型和寡营养型细菌的平衡显著影响生化转化速率，进而影响土壤健康和生态系统功能。由于寡营养细菌更难分离培养，这可能是目前对土壤疣微菌门研究相对较少的原因之一，尽管其相对丰度可高达总细菌群落的23%。推动该领域研究需要开发有效的微生物培养方法，例如改进的“浮萍-微生物共培养法”已显示出潜力。

第三代测序平台和生物信息学流程的进步有望克服当前研究土壤疣微菌门的挑战。宏基因组组装基因组（MAGs）有望揭示编码各种碳水化合物活性酶（CAZymes）、参与氮磷循环的酶基因以及当前未知的植物促生特性的新疣微菌门谱系。结合单细胞基因组学和宏转录组学将有助于阐明这些微生物的活跃代谢途径和环境相互作用。

此外，机器学习和大数据建模等快速发展的方法为分析和解释大量数据提供了工具，可用于揭示微生物与其环境功能之间的联系。这些技术进步将有助于解锁疣微菌门在碳氮转化及可持续应用方面的全部潜力。

鉴于目前关于矿质和有机肥影响的研究多来自亚洲，有必要在其他气候带和土壤类型开展更多研究。未来的研究不仅应关注不同施肥系统下的多样化土壤类型，还应关注日益重要的植物根际促生菌（PGPB）对疣微菌门成员的影响。

总之，需要进一步的综合研究以在属或更低水平上全面了解疣微菌门的生态学和功能角色。这些细菌丰度高、多样性丰富、分布广泛，其大部分生态和生物技术潜力仍有待探索。识别疣微菌门的作用和营养状态也至关重要，因为土壤群落中寡营养型与富营养型的比例与群落的恢复力存在显著正相关关系。这一认识对于在人为压力日益增大的时代规划维持土壤生态系统稳态的活动可能具有重要意义。