大豆可持续栽培的微生物伙伴关系：机制、应用与前景

《Plant, Cell & Environment》：Microbial Partnerships for Sustainable Soybean Cultivation: Mechanisms, Applications and Prospects

　　

大豆生产日益受到波动的环境条件和养分限制的威胁。虽然合成肥料可以缓解这些限制，但其过度使用已引发对土壤长期健康问题的担忧。因此，利用有益土壤微生物（即栖居于土壤生态系统中的一类多样化微生物群体）作为生物菌肥（biofertilizers），为可持续农业提供了一种有前景的解决方案。本综述构建了一个涵盖微生物互作、宿主遗传调控和环境影响的“三方框架”（tripartite framework）。通过探讨尚未被充分理解的机制，包括微生物招募的遗传决定因素以及微生物类群间功能冗余的程度，研究人员分析了大豆基因型如何通过根系构型（root system architecture, RSA）的变异、免疫信号级联反应和根系分泌物谱（root exudate profiles）来塑造根际微生态位，并评估了这些性状在驯化过程中如何发生改变。此外，本文还探讨了如何通过田间轮作（crop rotation）和间作（intercropping）实践对基因型特异性互作进行策略性管理。通过综合这些相互依存的关联关系，本综述为在气候变化背景下开发低投入、高韧性的大豆生产体系以优化养分供给提供了路线图。

论文主体内容总结

1 引言

集约化农业消耗土壤养分并导致土壤质量退化，进而引起产量下降。尽管合成肥料能暂时恢复养分有效性，但未被吸收的氮（N）和磷（P）通过淋溶和侵蚀损失，损害土壤长期健康。通过调控根际（rhizosphere）——一个富含细菌、真菌和原生动物的狭窄土壤区域——的微生物群落结构，可能成为替代化学肥料、 mobilizing 土壤养分并改善土壤健康的更可持续途径。大豆（Glycine max）作为全球重要的蛋白质和油料作物，对用于蛋白质合成的N和用于能量转运及结瘤的P有很高需求。大量和微量元素缺乏会损害大豆的生长性状，包括生物量、种子数和根系构型。在自然界中，野生大豆（Glycine soja）已进化出与根瘤菌（rhizobia）、丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi, AMF）和植物促生根际细菌（plant growth-promoting rhizobacteria, PGPRs）的多方联合关系，这些关系在根际中提供了养分交换的位点。尽管微生物分类学、田间接种剂和根系分泌物如何介导植物-微生物互作等方面已被分别广泛综述，但连接宿主基因型、环境条件和微生物群落之间的机制在大豆研究中仍缺乏整合。本综述提出了一个整合养分动态、胁迫适应性微生物互作和宿主基因型调控的三方框架。

2 微生物-大豆互作对养分获取和胁迫韧性的作用

有益微生物可被接种到大豆根际，通过 mobilizing、矿化和转运根际中的大量及微量元素并促进其被根系组织吸收，从而增强养分获取。这些过程通常涉及根瘤菌、AMF和PGPRs的联合作用。

2.1 大量元素：氮、磷和钾

微生物常通过自然过程或接种被招募到大豆根际，通过氧化还原反应、酸解、螯合作用以及分泌草酸、柠檬酸和葡萄糖酸等有机酸来帮助 mobilizing 和矿化大量元素。根瘤菌在大豆根部形成根瘤，并通过固氮酶将大气中的N₂转化为氨。植物随后将固定的N同化为氨基酸并转运至各组织。除根瘤菌外，AMF还可通过扩大植物可探索的有效土壤体积间接增强N获取，从而增加养分有效性以支持根瘤发育和功能。PGPRs与AMF的联合接种可进一步提高根际磷酸酶活性，即使在胁迫条件下也能导致植物P含量增加、结瘤改善和生物量提高。同样，根瘤菌与AMF的联合接种通常比单一菌种接种更能增加结瘤、植物N含量和生物量，反映了它们在N和P获取中的互补作用。来自Azospirillum、Bacillus、Enterobacter、Pseudomonas和Serratia等属的PGPRs也被报道通过 mobilizing 土壤中的P和K以及支持菌根发育来促进大豆生长。然而，这些互作具有情境依赖性，联合接种的效益可能随微生物相容性、宿主基因型、养分状况和环境条件而变化。

2.2 微量元素

微量元素对于防止限制大豆生长和产量潜力的营养缺乏至关重要。锌（Zn）是蛋白质合成、叶绿素产生和酶活性所必需的，而铁（Fe）对叶绿素生物合成和众多代谢过程至关重要。解锌微生物，如Pseudomonas aeruginosa和Priestia aryabhattai，通过分泌有机酸和螯合化合物将Zn转化为可利用的阳离子形式（Zn²⁺）来增加Zn有效性。接种Bacillus licheniformis P2.3并结合Thiobacillus或Pseudomonas可增强Fe转运并缓解大豆Fe缺乏症状。尽管微生物对Zn和Fe增溶的贡献已在大豆研究中得到证实，但微生物接种剂在缓解锰（Mn）、硼（B）、氯（Cl）和钼（Mo）缺乏方面的潜力仍相对未被充分探索。

2.3 植物激素调控

微生物可调节植物激素水平，包括生长素、细胞分裂素、脱落酸（ABA）、赤霉素（GA）、水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）和乙烯，从而影响大豆的生长、发育和胁迫响应。一些PGPRs，如Acinetobacter pittii YNA40、Bacillus cereus SA1和Bacillus tequilensis SSB07，产生植物激素，推测会触发大豆内源激素生物合成的负反馈，帮助宿主在胁迫下稳定激素水平。大豆中参与激素代谢和胁迫响应的基因也可能通过微生物来源激素的互作而被调控。例如，产GA真菌Porostereum spadiceum AGH786帮助盐胁迫大豆幼苗维持高GA和低ABA/JA水平。此外，非大豆定殖细菌Streptomyces lasalocidi JCM 3373^T分泌ICA1d（IAA的氧化产物），诱导参与非生物胁迫响应的基因以及促进盐胁迫条件下根系生长的基因表达。总体而言，SA、JA、乙烯、生长素和ABA通过相互连接的信号网络精细调控宿主防御和胁迫响应，同时改变根系分泌和微生物招募。

2.4 活性氧清除及离子与水分稳态

非生物胁迫促进活性氧（ROS）积累，大豆-微生物伙伴关系可通过协调的酶促和非酶促抗氧化途径来缓解。例如，Bacillus aryabhattai SRB02具有内在的超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性，可在热胁迫期间补充大豆抗氧化系统。类似地，Penibacillus sp. MAI1和MAI2不仅表现出SOD和CAT活性，还分泌铬还原酶，将有毒的Cr(VI)转化为毒性较低的Cr(III)，以最小化金属诱导的氧化损伤。多种根际微生物还能改善非生物胁迫下的大豆离子稳态。耐盐产IAA的Bacillus aryabhattai ALT29和Arthrobacter woluwensis ALT43可通过促进K⁺内流同时限制根系Na⁺吸收来提高大豆植株的K⁺/Na⁺比值。AMF如Rhizophagus irregularis可通过在大豆根中隔离Na⁺并减少其向地上部的转运来进一步增强耐盐性。此外，PGPRs可通过改变大豆根系构型来缓解干旱胁迫。例如，Bacillus paralicheniformis FMCH001增加大豆根的数量、表面积和厚度，可能改善宿主获取深层土壤水分的能力。

3 大豆根际微生物组的基因型决定因素

向植物根系接种有益微生物是重塑根际微生物群落的一种途径。然而，其成功不仅取决于引入的微生物，还取决于宿主植物的遗传特征以及本地微生物群落与接种剂之间的互作。可遗传的宿主性状能显著影响微生物招募、定殖、相容性和群落组装。

3.1 根系构型

可遗传的根系构型（RSA）性状，包括根深、根角和分枝模式，为微生物招募创造了空间生态位。以宽而浅的侧根为特征的养分觅食型RSA可能优先支持参与有机质周转和生物固氮的微生物。尽管与RSA相关的大豆数量性状位点（QTLs）及其与地上部性状的遗传相关性已被鉴定，且胁迫响应性RSA也已被报道，但这些性状如何与微生物招募和互作相关联在豆科植物（包括大豆）中仍很大程度上未被探索。

3.2 根系分泌物

根系分泌物是植物胁迫响应以及与根际微生物和邻近植物互作的重要组成部分。在大豆中，基因型和环境条件都影响分泌物组成，可能介导植物-微生物互作。在P缺乏条件下，P高效大豆基因型倾向于释放更多的有机酸（包括苹果酸和柠檬酸）以及酸性磷酸酶，这可能增强P mobilizing 并影响根际微生物群落。作为豆科植物，大豆通过根系分泌的异黄酮（特别是染料木黄酮（genistein）和大豆黄酮（daidzein））主动招募相容的根瘤菌。这些化合物激活根瘤菌LysR型调控因子NodD，诱导结瘤因子生物合成所需的nod操纵子的转录。此外，超结瘤大豆基因型nts1007据报道分泌cis-4-羟基-d-脯氨酸，通过趋化性吸引Sphingomonadaceae，并释放油酸作为收获后碳源以吸引有益作物相关微生物。微生物定殖也能对宿主根系分泌形成反馈。例如，AMF定殖上调大豆中的GmPAL2.4，增加大豆黄酮、染料木黄酮、苯甲酸和对羟基苯甲酸的积累，显著促进结瘤。尽管大豆-根瘤菌共生中的异黄酮-NodD-Nod因子途径已被相对充分表征，且最近报道了若干额外的招募机制，但大豆招募或调控大多数PGPR和AMF类群所依赖的精确分子信号仍知之甚少。

3.3 植物免疫系统

植物免疫系统是根际微生物组组成的关键决定因素，用于区分病原菌和有益微生物。细胞表面模式识别受体（PRRs）检测微生物上保守的微生物相关分子模式（MAMPs），如脂多糖（LPS）、鞭毛蛋白、几丁质和肽聚糖，触发ROS产生以及Ca²⁺依赖性蛋白激酶（CDPKs）和丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联的激活以诱导防御基因表达。为建立相容性，有益微生物已进化出瞬时减弱或调节这些宿主免疫响应的机制。在大豆中，一些QTLs与植物防御和微生物互作都相关。例如，GmRj2/Rfg1^SC单倍型优先偏好与常见于酸性土壤的Bradyrhizobia联合，而GmRj2/Rfg1^HH单倍型和GmRj2/Rfg1^SC敲除突变体对Bradyrhizobia和Sinorhizobium表现出同等亲和力。此外，GmRj2/Rfg1与共生效应蛋白NopP的关联表明该位点有助于根瘤菌伙伴选择。大豆种质的地理分析显示，GmRj2/Rfg1^SC单倍型在由Bradyrhizobia主导的酸性土壤中富集，而GmRj2/Rfg1^HH单倍型在以Sinorhizobium为特征的碱性土壤中普遍存在。

3.4 大豆驯化对根际微生物组的影响

野生和栽培大豆基因型在根际微生物组的多样性、结构和功能潜力方面经常存在差异。与野生大豆相比，栽培大豆基因型据报道拥有稳定性较差的群落，有益微生物类群（包括与养分获取相关的Glomeromycota和与病原菌控制相关的Actinobacteria）的丰度降低。这些差异可能是驯化和栽培过程中合成农业投入和根系分泌物组成变化的结果，导致根际功能特别是与氮 mobilizing 和碳降解相关的功能出现差异。由此导致的细菌特化种多样性减少和跨界互作的破坏可能最终损害栽培大豆的养分获取和胁迫耐受性。

4 管理实践：轮作与间作

轮作和间作通过提高植物多样性、根际化学和微生物养分循环来增强土壤生物多样性、健康、产量和病虫害抑制。因此，在实施微生物干预时应考虑田块的农业历史，因为先前的轮作、间作实践和土地管理制度可以改变土壤性质、根系沉积以及本地微生物群落的组成和功能，从而影响此类干预的结果。轮作改变了根系沉积的数量和组成，从而重塑根际微生物群落的结构和功能。大豆种植通过生物固氮（BNF）、残茬还田和微生物互作提高土壤N、土壤有机碳（SOC）和P有效性。此外，轮作可改变土壤中的细菌和真菌类群，这些类群可作为预测轮作系统中作物结果的指标。豆科与非豆科间作可提高产量和N利用效率。特别是，大豆轮作可提高后续水稻、小麦和玉米的产量。此外，基于大豆的间作可刺激土壤微生物活性、缓解土壤酸度并减少温室气体排放。然而，这些结果并非必然，因为轮作的效果可能随环境条件、作物身份、序列复杂性和田间管理实践而变化。例如，频繁的豆科作物种植可降低真菌生物多样性并增加土壤中真菌病原体的比例。最近的研究也表明，大豆分泌物中的染料木黄酮可驱动根系系统的空间分化并影响大豆-玉米间作系统中根际微生物群落的组成，可能造成微生物干预效果的差异。

5 微生物干预的局限性及未来展望

大豆中的植物-微生物互作具有高度情境依赖性，受宿主基因型、土壤性质、本地微生物群落和作物管理实践的制约，这些因素共同限制了接种剂性能在田间间的可重复性。这种复杂性表明，单一有益微生物分离株并不能保证改善农艺结果；相反，功能表型源于微生物群落内部以及根际微生物与宿主植物之间代谢和信号网络的综合效应，并受环境的影响。宿主基因型尤其强烈地决定大豆-微生物互作的特异性和有效性，因此在特定研究或试验中报告的有益结果并非普遍可转移的。尽管根相关微生物群落通过固氮、养分循环和病原菌抑制对大豆健康有基础性贡献，但调控微生物组招募的分子机制仍仅被部分理解。目前的研究表明，调控养分感知、P和N信号、免疫以及RSA的宿主基因是根际微生物组组装的关键驱动因素。然而，植物-微生物互作并非总是对植物有益：病原菌-大豆关联可驱动根际微生物组的有害变化。例如，Fusarium spp.、Phytophthora sojae和Sclerotinia sclerotiorum在单作大豆田中富集，与根损伤、养分和水分吸收减少以及产量损失相关。根际生物学中的另一个局限性是，传统的土壤微生物群落调查方法往往无法捕获其全部多样性和功能复杂性。对与大豆相关的特定根际微生物的深入分析通常需要在实验室中对可培养微生物进行劳动密集型工作，并有助于鉴定与宿主互作的新物种。另一方面，宏组学方法（meta-omics），如宏转录组学、宏蛋白质组学和代谢组学，可能使我们更好地表征土壤中微生物群落的活跃功能状态。宏基因组学提供了相对于受实验室培养能力限制的传统根际微生物组监测方法的无偏见的群落结构视图。宏组学方法提供的增强分辨率可能更好地将微生物种群与土壤健康指标和整体作物表现联系起来。利用这些复杂的宏组学方法可以直接监测目标农艺功能。例如，检测和量化根际和总体土壤中的关键功能标记基因，如编码固氮酶复合物组分的nifH和nifA，可作为指示固氮微生物群体存在的可测试参数之一。对大豆与已知特定微生物之间关联的组学分析也可揭示微生物干预后其他目标农艺性状的见解。在分子水平上追踪这些植物-微生物互作途径可以为微生物在大豆栽培、胁迫缓解和温度韧性中的作用提供可测量的证据，为设计可预测、高性能的生物菌肥奠定基础。成功应用有益微生物需要理解根系微生物组的机制、本地微生物群落对接种剂的响应以及田间条件下的生态动态——这些都是朝着稳健、气候韧性强的基于微生物组的大豆增产策略迈进的关键步骤。