利用小麦根际微生物组：解析微生物互作以促进土壤健康和作物可持续生产力

《Rhizosphere》：Harnessing the wheat rhizosphere microbiome: Decoding microbial interactions for soil health and sustainable crop productivity

　　

•小麦根际微生物组受宿主基因型、土壤特性、环境和管理措施的影响。•植物促生根际杆菌（PGPR）、丛枝菌根真菌（AMF）及其他有益微生物可以促进养分循环和病害抑制。•G×E×M×T框架将基因型、环境、管理和时间整合于微生物组组装过程中。•田间表现取决于作物、土壤、气候、制剂和管理背景。•合成群落、微生物组工程和微生物组辅助育种仍是田间验证的重点方向。

引言

小麦（*Triticum aestivum* L.）是全球最重要的谷物作物之一，为全球人口提供的热量和蛋白质约占20%。作为全球粮食安全的基石，小麦产量必须持续增长以满足不断增长的人口需求（Alexandratos和Bruinsma，2012；Davis等，2016；联合国，2017）。然而，这些产量的增长必须在应对气候变化、土壤退化、养分利用效率下降、新兴病虫害以及减少合成化肥和农药依赖压力日益增大的挑战中实现（Dubey等，2019；Misra等，2020）。尽管传统农业集约化大幅提高了小麦生产力，但其长期可持续性日益受到对土壤生物多样性、生态系统功能及环境质量产生不利影响的制约。因此，开发具有韧性和环境可持续性的小麦生产系统已成为全球重大研究优先事项。

根际，即受植物根系直接影响的那部分土壤窄区，是陆地生态系统中生物活性最高的界面之一（Whipps，2001）。它栖息着多样的细菌、真菌、古菌及其他微生物群落，这些微生物通过复杂的生化信号和养分交换与植物根系持续相互作用（Hacquard等，2015；Mendes，2011）。这些相互作用调控着众多生态系统过程，包括养分循环、有机质分解、磷活化、病原抑制、胁迫耐受和土壤团聚（Mendes，2011；Trivedi等，2020）。生物固氮主要与固氮细菌和古菌相关，而真菌及其他微生物类群则参与有机质周转、养分活化和植物胁迫响应等过程。因此，根际微生物组日益被认定为植物健康、土壤肥力和农业可持续性的关键决定因素，而不仅仅是土壤微生物的被动组合（Hacquard等，2015；Trivedi等，2020）。

高通量测序、宏基因组学、宏转录组学、代谢组学及其他多组学技术的快速发展，显著增进了我们对根际微生物群落及其功能潜力的理解（Liu等，2024；Trivedi等，2020）。这些技术进步揭示，小麦根际微生物组高度动态，受多种相互作用因素影响，包括植物基因型、土壤特性、气候条件、农业管理、作物发育阶段和定居微生物群落（Chen等，2022；Kavamura等，2021；Simonin等，2020）。越来越多的证据表明，植物促生根际杆菌（PGPR）、丛枝菌根真菌（AMF）、微生物接种剂、保护性农业和微生物组工程可以改善养分获取、养分利用效率、非生物和生物胁迫耐受、病害抑制，最终促进小麦可持续生产（Liu等，2024；Yang等，2023）。然而，这些基于微生物组的干预措施的有效性仍高度依赖于特定情境，通常在不同环境、管理系统和宿主基因型之间有所差异（Kavamura等，2021；Simonin等，2020）。

尽管相关文献迅速扩展，仍存在若干重要挑战。现有综述往往聚焦于小麦微生物组的单一组成部分，如PGPR、AMF、微生物接种剂或保护性农业（Chen等，2022；Kavamura等，2021），而很少有综述在全面的小麦特异性框架内对这些组成部分进行批判性整合。此外，其他作物物种的证据常被外推至小麦，而未明确区分普遍保守的微生物机制与作物特异性响应（Michl等，2023；Trivedi等，2020）。实验设计、环境条件、测序方法和农学管理的差异进一步增加了研究间的比较难度，限制了实验结果向田间尺度应用的转化。因此，仍需要对现有证据的强弱和局限性进行批判性综合，识别共识和不确定性领域，并突出小麦微生物组研究的未来优先方向。

本综述通过整合现有综合研究中很少同时考虑的四个要素来弥补这一空白：(i)基因型×环境×管理×时间（G×E×M×T）框架，用于解读情境依赖的小麦根际微生物组组装（Kavamura等，2021）；(ii)田间已验证和新兴的基于微生物组干预措施的比较（Liu等，2024；Yang等，2023）；(iii)承认原生生物组成部分在小麦系统中比细菌和真菌群落的表征程度更低（Rossmann等，2020）；(iv)讨论影响微生物组技术在小麦生产系统中应用的转化性、监管性和农民采纳性障碍。

在本综述中，我们批判性地综合了当前关于小麦根际微生物组的知识，重点关注影响土壤健康、养分循环、植物韧性和可持续作物生产力的微生物相互作用。我们着重讨论调控根际微生物组组装和功能的主要生态和农学驱动力，包括基因型（G）、环境（E）、管理（M）和时间（T）的相互作用影响。我们评估了当前的基于微生物组的干预措施，讨论了其实用田间应用的机会和局限性，并提出一个整合的G×E×M×T概念框架以促进对情境依赖性微生物组响应的解读。最后，我们识别了关键的知识缺口和未来研究优先方向，以加速微生物组科学向韧性和可持续小麦生产系统的转化。

章节摘要

G×E×M×T概念框架

小麦根际群落组装不能归因于单一的生物或环境因素（Kavamura等，2021；Simonin等，2020）。微生物的组成和功能反映了宿主基因型（G）、环境（E）、农业管理（M）和时间（T）之间的相互作用，这些因素影响微生物的招募、群落演替和功能表达（Trivedi等，2020；Yang等，2023）。因此，与某一维度相关的效应可能根据该维度变化而改变。

综述范围

本综述批判性地综合了当前关于小麦根际微生物组的知识，特别关注影响土壤健康、养分循环、养分利用效率、植物韧性、病害抑制和可持续作物生产力的微生物相互作用。研究范围以小麦（*Triticum aestivum* L.）研究为中心。在直接基于小麦的证据不足以阐明生态机制或微生物功能时，我们审慎地选取其他作物

微生物多样性和群落组成

小麦根际包含多样的细菌、真菌、古菌、原生生物及其他微生物类群，其组成与周围体土有所不同（Fan等，2017）。根系与这些群落的相互作用可能是有益的、中性或有害的，取决于涉及的生物体、小麦基因型、土壤特性和环境条件。通过根际沉积释放的根系来源化合物为微生物提供了碳和其他资源，支持微生物

根际微生物组作为土壤健康的驱动力

土壤健康取决于养分有效性、生物活性、土壤结构以及土壤支持作物生产的能力。在小麦系统中，根际相关微生物参与养分周转、有机质分解、团聚体形成、病原抑制和植物对环境胁迫的响应（Fierer，2017；Saleem等，2019；Trivedi等，2020）。因此，根际微生物组是土壤健康的一个生物学组成部分，尽管其

当前策略概述

小麦根际微生物组在可持续生产系统中为改善土壤健康、养分利用效率、胁迫耐受和病害管理提供了可观的机会。近期研究表明，基于微生物组的干预措施，包括植物促生根际杆菌（PGPR）、丛枝菌根真菌（AMF）、保护性农业、微生物接种剂和合成微生物群落（SynComs），可以改善小麦生长和产量。然而，

科学挑战

小麦根际群落的两个特征限制了其在田间可靠应用，两者均源于贯穿本综述的情境依赖性。第一个特征是群落组成和功能随土壤类型、气候、品种、管理措施和发育阶段而变化，因此在一个地点或生长阶段表现良好的群落在其他地方不一定表现良好（Simonin等，2020）。

Simonin等（2020）报告，土壤特性和宿主基因型均对

结论

小麦根际微生物影响养分循环、病害抑制和土壤结构。基于测序的研究已日益详细地描述了这些群落，但这些知识尚未转化为持续可靠的田间效果。情境依赖性是反复出现的约束：同一种接种剂、品种或管理干预措施在不同土壤、季节和生产系统中可产生不同的微生物组和农学响应。

基于微生物组的干预措施是

CRediT作者贡献声明

L.K. Singh：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，资源，概念化。M. Kumari：写作 – 审阅与编辑，概念化。V. Choudhary：写作 – 审阅与编辑，验证。

生成式人工智能和AI辅助技术声明

在准备本稿件期间，作者使用了基于AI的工具进行语言编辑和格式化，使用ChatGPT（OpenAI）和Gemini（Google）协助根据作者准备的概要绘制概念图和示意图（图1、图2、图3、图4），并使用Consensus识别相关的同行评审研究。概念图的内容、组织和科学解读均由作者开发。所有AI辅助的输出结果均由作者审阅和编辑。

资助

本研究未获得公共、商业或非营利部门资助机构的任何特定资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报道的工作。

致谢

无。

L.K. Singh | M. Kumari | V. Choudhary