土壤与植物微生物群系缓解环境胁迫的调控机制与农业应用展望

《Plant and Soil》：Harnessing soil and plant microbiota to alleviate environmental stresses

　　

全球农业系统正日益受到气候变化的影响，导致干旱、土壤盐碱化、极端温度波动、养分失衡以及新型植物病原菌的出现频率和严重程度不断上升。这些环境因素带来的日益增大的压力威胁着全球粮食安全、土壤健康以及农业系统的可持续性。生活在土壤和植物生态系统中的有益微生物对养分循环、改善植物健康以及增强对环境胁迫的恢复力至关重要。因此，通过聚焦植物与其相关微生物群系之间的复杂关系，可以显著增强植物恢复力、土壤健康和可持续农业实践，从而形成更加稳健且环境友好的耕作系统（Pedrinho等，2026）。 尽管微生物群系具有显著的应用前景，该领域仍需进一步研究，以将实验室发现转化为实用的大规模应用。本期特刊旨在通过突出在环境胁迫下利用微生物群系改善植物性能和土壤健康方面的进展来弥补这一差距，重点关注促进可持续农业实践的实际解决方案。 入选的研究可归纳为四大主题。主题一：理解微生物群系对环境胁迫因子的响应。理解微生物群落如何响应环境条件和胁迫因子是利用微生物群系的先决条件。该主题涵盖微生物群系组装、群落动态、生态演替以及微生物对环境干扰和梯度响应的研究。部分入选研究显示了微生物群落对各种环境胁迫（如资源有限、水分匮乏、生态系统干扰和土地利用模式变化）的不均匀响应和适应。生态系统中的分解者微生物群系有助于支持养分循环，这在热带油棕种植园中得以体现，凋落物分解过程中的真菌演替控制了氮的释放和根系的氮获取（Ryadin等，2025）。同样，人类对生态系统的干扰影响了地钱（Marchantia polymorpha）的真菌内生菌群落，在养分限制条件下，磷获取功能性状的出现是一种适应性措施（Ledesma等，2025）。在红树林生态系统中，沉积物微生物群系的动态研究表明，在各种外部条件和河口环境的影响下，微生物群落保持相对稳定，反映了群落对变化条件的恢复力（Luo等，2025）。此外，玉米-大豆轮作系统在滴灌施肥条件下，氨氧化微生物占主导地位，显著影响了农田土壤的氮循环（Li等，2026）。另外，干旱条件和土壤水分变化重构了玉米、普通菜豆和花生的微生物群系，从而更好地管理水分胁迫（Teixeira等，2025；Rodríguez Rodríguez等，2025）。总之，这些论文为理解微生物群系介导的胁迫适应提供了生态学基础。 主题二：促进植物生长和胁迫耐受性的微生物机制。微生物群系通过多种功能机制影响植物性能，包括养分获取和循环以及植物响应的生理调节。该主题下的多篇论文表明，生物肥料的有效性在很大程度上取决于土壤养分状况，强调了位点特异性微生物干预的必要性（Walkiewicz等，2026；Yang等，2025；Xiao等，2025）。此外，对棘孢木霉（Trichoderma asperellum）种子引发处理的详细分析揭示了鹰嘴豆根际的重塑，促进了自由生活的固氮群落，并在盐分和病原菌胁迫下改善了氮吸收（Rashid等，2025）。养分管理也被证明能强烈影响微生物过程。条施聚磷酸铵被证明能增强磷的有效性、细菌多样性和玉米生产力（Yang等，2025），而长期施肥研究表明，气候和肥料投入的联合调控塑造了微生物的碳和磷限制，强调了气候感知的养分管理（Xiao等，2025）。在三种滴灌施肥系统下评估了抗生素抗性基因的环境传播，突出了滴灌施肥技术可能塑造微生物群系过程（Li等，2025）。除养分获取外，有益微生物还积极影响作物恢复力和品质。值得注意的是，丛枝菌根真菌已被证明通过多种生理和分子机制减轻砷毒性（Gupta等，2026），而基于巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）的生物有机肥通过微生物群系介导的调控刺激氨基酸和黄酮类生物合成，改善了茶叶品质（Liu等，2026）。据报道，新的假单胞菌属（Pseudomonas spp.）分离株具有促进桉树生长的潜力（Liu等，2025）。植物促生真菌在增强植物适应性中的作用也得到综述（Chakraborti等，2025）。总之，这些研究增进了研究人员对植物-微生物群系相互作用机制的理解，有助于向微生物群系信息化的农业过渡。 主题三：微生物群系介导的生物胁迫保护。植物相关微生物群系在保护植物免受病原菌侵害和减轻病害压力方面发挥重要作用。本期特刊入选论文展示了有益微生物促进植物健康的多种机制。在木豆中，根际相关芽孢杆菌科（Bacillaceae）产生的挥发性物质通过直接的抗真菌效应和与植物引发相关的间接效应减少了镰刀菌枯萎病（Tyagi等，2025）。这项研究因此说明了微生物间的化学相互作用如何塑造生物防治活性，并指出微生物代谢产物本身可作为作物保护的潜在工具。在更广泛的尺度上，病害抑制性被证明是微生物群落的一种属性，有机农业实践促进了与增强病害抑制相关的微生物群系配置（Chaudhary等，2025）。环境假单胞菌分离株也抑制了蜜环菌（Armillaria mellea），同时通过微生物群系介导的效应促进植物生长（Aci等，2025）。总之，这些发现表明，微生物群系介导的植物抗病原菌保护可以在多个层面运作，从特定的化学相互作用和拮抗微生物到群落水平的病害抑制。此类方法可能为传统病害防治实践提供可持续的替代方案，并有助于构建更具恢复力的农业生态系统。 主题四：利用微生物群系缓解非生物胁迫。利用植物微生物群系缓解非生物胁迫是本期特刊的主要主题之一。在多种作物物种和生产系统中，这些贡献通过从直接微生物接种到改变根际环境及相关微生物群系的改良措施等多种途径探索了这一潜力。多项研究聚焦于干旱胁迫，这是全球农业面临的最重要限制因素之一。有益微生物接种剂和增强微生物群系的改良剂在甜椒、马铃薯、珍珠粟、咖啡和小扁豆的水分限制条件下改善了植物性能（Gurung等，2025；Wilmowicz等，2026；Chandrashekar等，2025；Kankia等，2025；Vilela等，2026）。其他研究涉及盐碱化和土壤退化，证明了微生物接种和基于生物炭的方法可以改善植物性能并促进盐渍土和盐碱土的修复（Fazolato等，2025；Wang等，2025）。微生物群系减轻重金属胁迫的能力进一步通过关于丛枝菌根真菌和砷耐受性的综述得到强调（Gupta等，2026）。这些贡献共同支持了日益增长的认识，即微生物群系是植物对非生物胁迫因子适应能力的重要组成部分。微生物并非根际的被动居民，而是可以积极影响植物对干旱、盐分、养分胁迫和有毒污染物的响应（图1）。 展望：本期特刊的研究涵盖了广泛的系统，突显了土壤和植物微生物群系在塑造植物对环境胁迫响应中的核心作用，以及它们支持恢复力和可持续农业的潜力。在预测跨环境微生物群系功能、将实验室发现转化为稳健的田间应用以及开发跨作物和生产系统的可扩展解决方案方面仍存在关键挑战。然而，这些贡献说明了从理解微生物群系生态和功能向积极利用微生物群落应对农业环境挑战的日益增长的潜力。它们表明，将微生物生态学与养分管理相结合对于开发恢复力强、高产且环境可持续的耕作系统至关重要。本期特刊的Marschner综述（Pedrinho等，2026）强烈推荐对植物-微生物群系工程、代谢创新、定制农艺实践和支持性政策框架进行系统层面的整合。

论文解读：土壤与植物微生物群系缓解环境胁迫的调控机制与农业应用展望

一、研究背景与问题

全球农业系统正面临气候变化带来的日益严峻的挑战，干旱、土壤盐碱化、极端温度波动、养分失衡以及新型植物病原菌的出现频率和严重程度不断上升。这些环境胁迫因子威胁着全球粮食安全、土壤健康以及农业系统的可持续性。土壤和植物生态系统中的有益微生物在养分循环、改善植物健康和增强环境胁迫恢复力方面发挥着至关重要的作用。然而，尽管微生物群系具有显著的应用前景，该领域仍缺乏从实验室发现向实用的大规模应用转化的研究。本期特刊旨在弥补这一空白，通过聚焦利用微生物群系改善环境胁迫下植物性能和土壤健康的进展，促进可持续农业实践。

二、研究内容与主要结论

本期特刊入选的研究可归纳为四大主题。主题一：理解微生物群系对环境胁迫因子的响应。该主题涵盖微生物群系组装、群落动态、生态演替以及微生物对环境干扰和梯度响应的研究。热带油棕种植园中凋落物分解过程中的真菌演替控制了氮的释放和根系的氮获取；人类干扰影响了地钱（Marchantia polymorpha）的真菌内生菌群落，磷获取功能性状的出现是养分限制条件下的适应性措施；红树林生态系统中沉积物微生物群落保持相对稳定，反映了群落的恢复力；玉米-大豆轮作系统中氨氧化微生物占主导地位，显著影响氮循环；干旱条件和土壤水分变化重构了玉米、普通菜豆和花生的微生物群系。主题二：促进植物生长和胁迫耐受性的微生物机制。生物肥料的有效性在很大程度上取决于土壤养分状况，强调了位点特异性微生物干预的必要性；棘孢木霉（Trichoderma asperellum）种子引发处理重塑了鹰嘴豆根际，促进自由生活的固氮群落并改善氮吸收；条施聚磷酸铵增强了磷有效性、细菌多样性和玉米生产力；长期施肥研究表明气候和肥料投入的联合调控塑造了微生物的碳和磷限制；丛枝菌根真菌通过多种生理和分子机制减轻砷毒性；基于巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）的生物有机肥通过微生物群系介导的调控刺激氨基酸和黄酮类生物合成，改善茶叶品质；新的假单胞菌属（Pseudomonas spp.）分离株具有促进桉树生长的潜力。主题三：微生物群系介导的生物胁迫保护。根际相关芽孢杆菌科（Bacillaceae）产生的挥发性物质通过直接抗真菌效应和植物引发相关的间接效应减少木豆镰刀菌枯萎病；有机农业实践促进了与增强病害抑制相关的微生物群系配置；环境假单胞菌分离株抑制蜜环菌（Armillaria mellea）同时促进植物生长。主题四：利用微生物群系缓解非生物胁迫。有益微生物接种剂和增强微生物群系的改良剂在甜椒、马铃薯、珍珠粟、咖啡和小扁豆的水分限制条件下改善了植物性能；微生物接种和基于生物炭的方法改善了盐渍土和盐碱土中的植物性能并促进修复；丛枝菌根真菌减轻重金属砷毒性。

三、主要关键技术方法

研究人员主要采用了以下关键技术方法：微生物群落分析技术，包括高通量测序和群落动态监测，用于解析不同环境胁迫下微生物群系的组成、组装和演替规律；微生物接种与种子引发技术，通过直接接种有益微生物或处理种子以重塑根际微生物群落；土壤改良剂施用技术，如生物炭和有机肥改良，用于改变根际环境及相关微生物群系；长期定位施肥试验，用于评估气候和肥料投入对微生物碳磷限制的联合调控；以及多种作物的田间和温室试验，涵盖油棕、玉米、大豆、鹰嘴豆、木豆、甜椒、马铃薯、珍珠粟、咖啡、小扁豆、茶叶和桉树等作物系统。

四、研究结果与结论

主题一研究结果：油棕种植园凋落物分解中的真菌演替控制氮释放和根系氮获取；人类干扰导致地钱真菌内生菌群落出现磷获取功能性状；红树林沉积物微生物群落在河口环境变化下保持相对稳定；玉米-大豆轮作系统中完全氨氧化微生物（comammox）对氨氧化起主导作用；干旱和土壤水分变化重构了玉米、菜豆和花生的根际细菌群落。

主题二研究结果：土壤养分丰富度决定生物肥料施用对微生物活性和多样性的响应；棘孢木霉引发处理富集根际自由生活固氮菌并增强鹰嘴豆胁迫下氮吸收；条施聚磷酸铵通过提高土壤有效磷和细菌多样性稳定性促进玉米生长；长期施肥试验表明气候和肥料投入联合调控微生物碳磷限制；丛枝菌根真菌通过多重生理分子机制增强植物砷耐受性；巨大芽孢杆菌生物有机肥通过微生物群系介导调控促进茶树黄酮和氨基酸生物合成；新型假单胞菌属菌株具有促进桉树生长的潜力。

主题三研究结果：芽孢杆菌科菌株产生的挥发性物质通过直接抗真菌效应和植物引发抑制木豆镰刀菌枯萎病；有机农业促进芥菜根际微生物群系的一般病害抑制能力并调节功能潜力；环境假单胞菌分离株抑制蜜环菌并通过微生物群系介导效应促进植物生长。

主题四研究结果：黑水虻幼虫粪和麦秆生物炭在水分胁迫下改善甜椒生长、土壤肥力和根际细菌群落；丛枝菌根真菌（Glomus sp.）和芽孢杆菌（Bacillus sp.）接种增强马铃薯抗旱能力；氧化铜纳米颗粒与植物促生根际细菌协同增强珍珠粟耐旱性；硅施用与非根瘤菌共接种协同增强小扁豆水分亏缺恢复力；长期可持续管理改善热带咖啡农业生态系统干旱胁迫下的土壤健康和微生物群系；细菌接种改善滨藜（Atriplex nummularia）对盐渍土的植物修复；铁改性生物炭通过降低盐度和促进有益细菌根际定殖增强棉花在盐碱土中的生长和铁吸收。

五、总结与展望

本期特刊研究表明，土壤和植物微生物群系在塑造植物对环境胁迫响应中发挥核心作用，微生物并非根际的被动居民，而是可以积极影响植物对干旱、盐分、养分胁迫和有毒污染物的响应。微生物群系介导的植物保护可以在多个层面运作，从特定化学相互作用和拮抗微生物到群落水平的病害抑制。关键挑战仍在于预测跨环境微生物群系功能、将实验室发现转化为稳健的田间应用以及开发跨作物和生产系统的可扩展解决方案。研究结论强调，将微生物生态学与养分管理相结合对于开发恢复力强、高产且环境可持续的耕作系统至关重要。Marschner综述强烈推荐对植物-微生物群系工程、代谢创新、定制农艺实践和支持性政策框架进行系统层面的整合，以实现从理解微生物群系生态和功能向积极利用微生物群落应对农业环境挑战的转变。