《International Journal of Molecular Sciences》：Lessons from Plant–Microbe Interactions: Concepts for Improving Plant Nutrition and Stress Tolerance
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植物相关微生物，尤其是植物促生细菌（PGPB），能够增强植物营养吸收与胁迫耐受性，并为传统施肥与作物保护提供潜在的互补策略。然而，田间表现的不一致性、引入非本地细菌菌株所带来的生态学担忧，以及针对特定植物基因型和土壤条件进行制剂开发的需求，限制了其在农业中的应
植物相关微生物，尤其是植物促生细菌（PGPB），能够增强植物营养吸收与胁迫耐受性，并为传统施肥与作物保护提供潜在的互补策略。然而，田间表现的不一致性、引入非本地细菌菌株所带来的生态学担忧，以及针对特定植物基因型和土壤条件进行制剂开发的需求，限制了其在农业中的应用。上述挑战推动了在有利及胁迫条件下促进植物生长的互补策略研究。本文综述了基于PGPB的生物肥料的研究进展与局限性，重点关注多菌株联合体（multi-strain consortia）、内生（endophytic）与外生（epiphytic）微生物的比较，以及整合土壤微生物组动态与植物基因型特异性制剂的精准农业策略。研究人员进一步探讨了PGPB影响植物基因表达、胁迫信号传导、养分获取及根际通讯的分子机制。基于上述认识，本文讨论了利用有益微生物机制提升非生物胁迫耐受性与养分吸收的策略。将微生物组信息指导的生物肥料开发与遗传工程、作物育种及精准农业相结合，有望提升植物抗逆性。然而，其成功应用需在不同环境条件下进行功能性验证与田间试验。上述策略有望减少对外部农业投入的依赖，同时提升作物生产力与可持续性。总体而言，这些互补策略为利用植物-微生物互作支持气候适应性农业及保障全球未来粮食安全提供了框架。
一、引言
全球人口预计到2050年将达到97亿，并在2080年代中期达到约103亿的峰值，对粮食系统和自然资源构成巨大压力。气候变化引发的干旱期延长、土壤盐渍化及水资源短缺等问题，对撒哈拉以南非洲和中东等发展中地区影响尤为严重。同时，为满足作物需求，农业生产过度依赖化学肥料，虽可提高产量，但亦导致土壤退化、地下水污染、生物多样性丧失和温室气体排放，损害长期粮食安全。
农业研究日益转向可持续替代方案，包括由PGPB制备的生物肥料。PGPB可增强养分获取、促进植物生长、抑制病原菌并维持土壤生物多样性，同时减少对化学投入品的依赖。一项荟萃分析显示，田间条件下微生物接种可使作物产量平均提高33.5%，但响应因接种微生物种类和作物类型而异。另一项全球荟萃分析发现，生物施肥使磷和氮的利用效率分别提高了每公斤施用P和N对应7.5和5.8公斤产量。微生物接种还可使施肥土壤的N2O排放和NH3挥发分别降低29.8%和24.9%。PGPB在资源有限、气候脆弱地区尤为重要，本地适应性菌株可同时提升作物抗逆性和生产力。
然而，PGPB的有效应用仍受制于表现变异、根际互作复杂以及对研究、技术转让和农艺能力建设的持续投入需求。尽管大量证据表明植物相关微生物在受控实验室条件下可增强胁迫耐受性，但田间环境中微生物接种剂的可重复性不一致是主要限制。因此，受控条件下的阳性结果应被视为潜在有效性的证据，而非田间农艺效益一致性的确认。环境波动，包括土壤微生物组遗留效应、与本地微生物群落的竞争、植物基因型以及水分和养分有效性等非生物因素波动，均显著影响PGPB的定殖、持久性及宿主响应性。此外，将新细菌菌株引入生物肥料可能扰乱本地微生物群落，使生物肥料应用成为农业中的敏感干预措施。
二、PGPB：农业中可持续的天然生物肥料替代方案
生物肥料是含有有益微生物的生物制剂，施用于种子、植物表面或土壤后，可定殖于植物并通过养分增溶和植物激素产生等生物机制提高养分有效性，以环境友好方式促进植物生长和土壤健康。有机肥料如畜禽粪便虽营养丰富，但管理不当可导致土壤盐分积累、养分失衡、病原污染、温室气体排放及水体污染。化学肥料虽有效增产，但导致土壤退化、养分径流、温室气体排放和土壤生物多样性丧失。微生物生物肥料主要通过增强养分有效性和吸收来发挥作用，而非替代矿物肥料，应作为常规施肥的补充，同时考虑潜在生态风险。
三、PGPB对植物的关键特征
PGPB通过多种机制在最优和胁迫条件下增强植物表现，包括磷、钾、硅、锌的增溶以及铁载体介导的铁获取。部分固氮PGPB可通过生物固氮贡献植物氮营养。PGPB还能产生生长素（IAA）和赤霉素（GA）等植物激素，刺激根系生长和发育。在干旱、盐碱或病原感染等胁迫下，这些细菌帮助植物进行代谢和生理调节，通过增强养分吸收、改变激素平衡和启动宿主防御来提升抗逆性。
内生菌与外生菌在促进植物健康和生产力的作用上存在差异。内生细菌定殖于植物组织内部而不致病，较外生细菌更能免受干燥和土壤传播天敌及竞争者等环境因素的影响，可形成更系统化、代谢整合的植物关联。但内生菌的有效性可能受菌株特异性、定殖要求和宿主兼容性限制。近期研究表明，内生群落常表现出胁迫相关功能特化和韧性，尤其在干旱、盐碱和病害胁迫下。内生菌的内部生态位不仅保护其免受严酷条件影响，还促进高效养分交换和植物激素信号传导，使其成为高效的生物肥料和生物防治候选者。
四、PGPB诱导的植物-微生物互作中的生理与分子变化
4.1 PGPB调节植物激素平衡
植物激素调控植物生长、发育和胁迫响应，其稳态受PGPB强烈影响。多组学框架（转录组学、代谢组学、蛋白质组学和宏基因组学）对阐明植物-微生物互作的机制基础日益重要。研究表明，PGPB可通过涉及生长素和乙烯的激素介导机制增强玉米和小麦等作物的氮吸收并减少肥料依赖。部分内生菌株在干旱条件下增加ABA和JA等胁迫相关激素的产生，直接证明微生物可贡献于植物激素平衡。转录组分析显示，贝莱斯芽孢杆菌F21在西瓜诱导系统抗性（ISR）过程中调节包括ABA在内的植物激素信号通路。类芽孢杆菌在黄瓜中触发JA和SA通路基因以响应根结线虫。恶臭假单胞菌在干旱条件下改变大豆中脱水响应元件结合蛋白基因的表达。根际芽孢杆菌上调水稻盐胁迫下的生长素转运和抗氧化相关基因。肠杆菌属SA187通过乙烯依赖性调控氮吸收和分配，在低硝酸盐条件下促进拟南芥生长。
4.2 PGPB介导的胁迫诱导基因表达变化
PGPB可改变与胁迫信号、防御、渗透调节、抗氧化活性和发育相关的宿主转录响应。不同植物-微生物系统中的转录组和靶向基因表达研究已鉴定出干旱、盐碱和低温胁迫下转录因子、胁迫保护蛋白、抗氧化酶及水分和激素调控相关基因的变化。然而，微生物接种后基因表达的变化应谨慎解读，可能反映微生物定殖或胁迫缓解的下游响应，而非直接负责增强胁迫耐受性的机制。
4.3 PGPB在环境胁迫下调节表观遗传标记
根际微生物不仅通过生理机制增强植物对非生物胁迫的响应，还可诱导胁迫适应基因网络的表观遗传重编程。PGPB可通过调节DNA甲基化、组蛋白修饰和小RNA介导的调控来影响基因表达，这些表观遗传修饰与增强后续胁迫响应的胁迫记忆相关。马铃薯接种内生菌 Burkholderia phytofirmans PsJN 诱导品种特异性DNA胞嘧啶甲基化模式变化。水稻中，外源丁酸钠改变根际硫呼吸并增加促生微生物的硫化氢产生，抑制组蛋白去乙酰化酶基因，增强组蛋白H4乙酰化，上调ABA和干旱响应基因。枯草芽孢杆菌FZB42与玉米miRNA及其预测靶基因表达变化相关。巴西固氮螺菌和恶臭假单胞菌接种玉米也改变多种miRNA表达模式，重塑miRNA-mRNA网络。在拟南芥中，内生菌肠杆菌属SA187通过增加热胁迫记忆基因的H3K4me3富集增强耐热性。需注意，微生物诱导的表观遗传变化不应必然解释为跨代胁迫记忆，其稳定跨代遗传的证据仍有限。
4.4 根际信号与根系分泌物介导的互作
根系主动触发特定通路重塑周围微生物群落。根系分泌物不仅是营养来源，也是调节微生物招募和群落组成的信号分子。拟南芥根毛分泌物的特定发育调控因子在干旱下协调根际微生物组重构，促进与有益根瘤菌科的互作。拟南芥在磷限制下分泌苹果酸，招募不动杆菌以动员难利用磷。CRISPR/Cas基因激活策略可直接激活谷类作物中微生物响应性调控靶点以增强干旱恢复性状。小麦的CRISPR/Cas编辑增加芹菜素产生，促进自由固氮并提高氮缺乏条件下的产量。蒺藜苜蓿通过SPX1/3-PHR2磷饥饿调控网络调节类黄酮生物合成和分泌，增强根瘤菌招募和结瘤。此外，莲花中鉴定出一种新型顺式调控元件，通过激活共生相关基因促进细胞内细菌摄取。
五、借鉴PGPB重编程植物胁迫耐受性
5.1 微生物性状转化为植物的生物学限制
将微生物胁迫适应机制转化为植物需考虑异源通路表达的成本和生理限制。组成型表达微生物通路可能分流植物生长和繁殖的代谢资源。转植酸酶基因表达不确保功能转移，因微生物酶依赖兼容底物、辅因子、亚细胞定位和宿主代谢环境。甘氨酸甜菜碱工程说明此限制：组成型表达球形节杆菌codA使转基因拟南芥合成甘氨酸甜菜碱并增强盐和低温耐受性；而大肠杆菌betB在转基因烟草中高表达且有酶活性，但因底物甜菜碱醛限制而无法有效支持甘氨酸甜菜碱合成。微生物介导的胁迫耐受常是协调的微生物代谢、调控网络、宿主信号和群落成员互作的涌现特性，而非单一微生物基因的产物。生物固氮需要复杂固氮酶组装、高能量输入和氧保护，微生物养分动员依赖微生物、根系和土壤间的互作，无法通过转移单个基因完全复制。
微生物渗透保护通路提供启示。细菌在渗透胁迫下积累海藻糖和甘氨酸甜菜碱等相容溶质。耐盐菌伸长盐单胞菌通过产生相容溶质四氢嘧啶赋予烟草细胞渗透耐受性。转基因表达四氢嘧啶生物合成基因使培养烟草细胞积累四氢嘧啶并改善渗透耐受性。玉米和水稻中转基因表达海藻糖生物合成基因已证明改善干旱耐受性。产生铁载体的细菌改善缺铁条件下的植物铁吸收，植物可工程化增强螯合系统或诱导性铁获取通路。解磷细菌通过分泌有机酸增强磷有效性，提示植物中可编程分泌回路可能增强磷动员。
乙烯对植物发育和胁迫响应具有剂量和背景依赖性调控。利用ACC脱氨酶产生根际细菌可裂解ACC（乙烯直接前体），减弱胁迫诱导的乙烯激增。基于微生物机制，细菌acdS基因（编码ACC脱氨酶）的转基因表达已在多种作物中应用。水稻、油菜和拟南芥中过表达acdS显著改善盐耐受性、水分利用效率和氧化胁迫保护。在豆科植物中，乙烯作为根瘤菌侵染和结瘤发育的负调控因子，遗传性降低乙烯水平可增加结瘤数和固氮效率。
六、合成群落（SynCom）
除单一PGPB菌株应用外，多菌株微生物联合体作为生物肥料已成为利用功能互补性的有前景策略。具有互补功能的微生物可组合以应对特定环境限制，包括养分缺乏和非生物胁迫。研究表明，精心组成的细菌联合体通过协同互作增强豆科-谷类间作系统中干旱和磷缺乏联合胁迫的耐受性。玉米中富含鞘氨醇单胞菌和放线菌的根际细菌联合体改善干旱相关生理响应。合理SynCom设计需要互补微生物功能、菌株兼容性和稳定根系定殖。然而，菌株间竞争和微生物优势常削弱PGPB效益，本地土壤微生物群常竞争或抑制接种菌株。制剂挑战包括维持微生物活力、兼容性和货架期，联合体成员共制剂常因储存和应用期间差异存活或拮抗互作而失败。
七、精准农业方法：匹配微生物组与植物基因型
植物基因型-微生物组兼容性已成为接种剂成功的关键因素。宿主遗传变异影响根形态和分泌物组成，进而塑造根际微生物组组装和多样性。谷类系统证据表明宿主基因型在塑造干旱响应微生物群落中发挥关键作用。小麦田间空间宏基因组分析已用于绘制与干旱适应相关的核心根际微生物群。不同小麦基因型招募不同根际微生物组。Boechera stricta宿主基因型影响自然环境中叶和根微生物组组成。籼稻基因型塑造根际微生物组结构和功能潜力。玉米基因型影响根相关和根际细菌群落结构。大豆基因型差异塑造根际群落，影响结瘤和固氮效率。
然而，植物基因型并非总在重塑微生物群落结构中发挥主要作用。欧洲油菜中环境因素对种子相关微生物群落的影响强于宿主基因型。高粱根微生物群落组成主要受地点、时间和干旱处理驱动，基因型无显著效应。PGPB应用对不同植物基因型也有不同效应。接种巴西固氮螺菌和荧光假单胞菌对水稻表现出基因型依赖性效应。玉米杂交种对巴西固氮螺菌的响应在氮胁迫下显著不同。精准农业技术包括土壤传感器、遥感和地理空间制图，可支持位点特异性微生物接种剂选择和变量施用量。
八、生物肥料使用的障碍
生物肥料技术的标准化和一致田间有效性仍受多因素生态障碍影响。土壤异质性破坏微生物定殖并导致空间变异植物响应。土壤物理不规则性和水分含量改变引入微生物的定殖潜力。除草剂处理土壤大幅改变玉米微生物群落组成，导致PGPB接种剂持久性差。接种剂表现常随土壤条件和植物免疫响应变化。引入非本地微生物引发生态和生物安全担忧。组成型表达选定胁迫相关基因的实验可能呈现意外生理权衡，如干扰生殖信号或病原防御。近期策略强调组织特异性或诱导型表达，仅在胁迫事件期间或根特异性区域降低乙烯水平。
这些挑战需要综合解决方案，包括位点特异性接种剂选择、兼容微生物联合体和改进制剂、以及跨不同土壤和宿主基因型的田间验证。机器学习模型已基于土壤和植物基因组数据训练，用于预测不同土壤类型玉米的最优微生物联合体。遗传和基因组编辑方法也面临转化障碍，包括监管框架差异、技术和生物安全能力有限、知识产权限制及公众接受度变异。
九、结论
有益微生物与植物的互作在最优和胁迫条件下促进植物生长，为理解植物表现和适应性的调控机制提供框架。这些互作的分子和生理学见解可为基于微生物组的策略和作物遗传干预提供信息。可持续策略的进一步发展需要从经验性使用微生物转向基于机制的方法。微生物组策略可利用微生物间的功能互作，而育种、基因组编辑和合成生物学可利用植物-微生物互作衍生的机制知识修饰特定植物性状。未来进展取决于将机制研究严格功能验证和田间试验相结合。优先研究应聚焦于验证SynCom在田间环境的表现、整合微生物组分析与位点特异性农业管理、以及克服制剂、监管和经济障碍。微生物管理与作物遗传学和精准农业方法的结合可能最终为提升养分利用效率和胁迫韧性提供更稳健的策略。
