工程化植物全功能体增强非生物胁迫韧性：当前认知与未来方向

《Plant Signaling & Behavior》：Engineering the plant holobiont for enhanced abiotic stress resilience: current insights and future directions

　　

气候变化加剧了干旱、高温和盐碱等非生物胁迫，对农业生产力和全球粮食安全构成重大威胁。传统提高作物耐受性的策略通常在效率、可持续性和环境适应性方面存在局限，这凸显了对创新方法的需求。本综述聚焦于植物全功能体（holobiont），即将植物及其相关微生物组视为一个在胁迫适应中发挥调控作用的整合功能单元。非生物胁迫会破坏植物相关微生物群落，导致菌群失调（dysbiosis）并降低全功能体韧性。有益微生物，包括促生根际细菌（PGPR）、内生菌和丛枝菌根真菌（AMF），可通过改善养分获取、调节植物激素信号、强化抗氧化防御、维持渗透平衡以及调控胁迫响应基因表达来增强胁迫耐受性。新兴证据表明，这些互作通过生化信号传导、微环境修饰和表观遗传调控促进全功能体胁迫适应的建立，使植物能够更有效地应对反复出现的胁迫。微生物组工程的进展，特别是通过开发合成微生物群落（SynComs），为恢复微生物功能和增强作物在气候变化条件下的韧性提供了有前景的机会。多组学技术、人工智能和精准农业的整合有望加速基于微生物组的解决方案的开发，以实现可持续作物生产。总体而言，微生物组工程代表了一种有前景且环境可持续的策略，可增强全功能体的适应性韧性，并改善植物在非生物胁迫下的长期表现。

3. 植物全功能体：概念与功能意义

植物全功能体（holobiont）的概念从根本上改变了人们对植物的认知，将其从独立生物体转变为由宿主植物及其相关微生物群组成的整合生物系统。全功能体将宿主及其共生微生物描述为一个生态与进化单位，而全基因组（hologenome）则指代双方的集体遗传信息。在植物中，这些微生物群落栖息于根际、内际和叶际，它们建立动态互作关系，影响植物发育、养分获取、代谢以及对环境变化的响应。植物与其相关微生物并非独立运作，而是作为一个协调系统发挥作用，其中微生物活动补充宿主的生理过程。因此，植物的表型、性能和适应应被视为整个全功能体的涌现特性，涉及植物基因组与其全基因组之间的互作，而非仅由宿主基因组决定。然而，全功能体概念的适用需谨慎，因为宿主相关微生物群的稳定性、遗传性和功能整合可能因植物物种、发育阶段、土壤条件和环境背景而异。因此，与其将植物全功能体视为一个固定的进化单位，不如将其看作一个动态生态系统，其适应功能取决于特定情境下的植物-微生物互作以及微生物群落在环境胁迫下维持功能稳定性的能力。

在非生物胁迫条件下，植物全功能体的功能意义愈发明显。环境胁迫不仅影响植物生理，还会重塑植物相关微生物群落的多样性、组成和代谢活性。反过来，有益微生物通过改善养分可用性、调节植物激素平衡、维持氧化还原稳态、增强渗透调节以及调控胁迫响应信号通路，从而促进植物适应。这些互惠互作使全功能体能够在不利环境条件下维持生理稳定性并提升植物韧性。然而，由于这些互作高度动态，改变微生物群落结构的环境扰动可能会损害全功能体功能，从而削弱植物耐受持续或反复非生物胁迫的能力。

将植物视为全功能体，为开发基于微生物组的策略以改善作物韧性提供了重要的概念框架。这一视角不再仅关注宿主植物或单一有益微生物，而是强调整个植物相关微生物群落的集体功能和互作。这种整合视角激发了人们对微生物组工程（包括设计合成微生物群落SynComs）的兴趣，以期在胁迫环境下恢复或优化全功能体功能。因此，理解植物全功能体的结构、功能和稳定性，对于阐明非生物胁迫如何破坏植物-微生物组互作，以及制定可持续策略以增强作物在气候变化条件下的适应能力至关重要。

4. 植物微生物组的菌群失调

植物相关微生物群落通常处于动态但相对稳定的平衡状态，其中微生物之间及其与宿主的互作共同支持养分获取、生长、病害抑制和环境适应。这种平衡状态对于维持植物全功能体的功能完整性至关重要。然而，改变微生物组成或功能的扰动会破坏这些互作，导致一种称为菌群失调（dysbiosis）的状况。在植物中，菌群失调不仅指微生物多样性和丰度的变化，还包括有益微生物功能的丧失、生态互作的破坏以及微生物群落稳定性的降低。与健康微生物组不同，菌群失调群落的特点是功能冗余减少，这可通过高通量宏基因组数据集衍生的预测代谢通路的生态α和β多样性指数进行定量评估，例如应用于代谢功能群的香农指数（Shannon index），或通过评估底物利用模式随时间变化的群落水平生理图谱（CLPP）指标来衡量。此外，可通过将分类丰度与宏基因组代谢通量模型进行映射计算功能冗余，以量化贡献于同一生态功能（如固氮或溶磷）的不同分类单元数量。这些群落还受到碎片化的微生物网络连接性以及机会病原体优势增加的影响，最终损害宿主性能。

从群落生态学角度来看，非生物胁迫通过改变植物结构内的基础生态位空间，成为菌群失调的主要催化剂。当极端环境压力超过临界阈值时，集体群落会经历生态体制转变，损害网络连接性。这些结构性扰动常压缩分类多样性、耗竭关键基石物种、削弱竞争性生态互作，并将微生物代谢投入从互利共生转向个体细胞生存。此外，长期或反复的胁迫可能降低微生物群落的韧性，使植物全功能体在环境扰动后越来越难以恢复到原有的功能状态。因此，非生物胁迫不应仅被视为对植物生理的直接限制，还应被视为重塑植物相关微生物组的主要生态力量。

菌群失调的后果超越了微生物群落的分类变化，直接影响植物全功能体的功能能力。有益微生物种群的破坏可能减少生物固氮、溶磷、植物激素产生、抗氧化活性、渗透调节以及对土传病原体的自然抑制，从而削弱植物生长和胁迫耐受性。在生态系统层面，菌群失调还可能损害养分循环、土壤肥力以及支持生态系统稳定性的微生物互作。由于植物的适应能力依赖于宿主与其相关微生物群之间的协调互作，菌群失调应被视为全功能体功能的紊乱，而不仅仅是微生物群落组成的改变。

更重要的是，并非所有胁迫诱导的植物微生物组变化都应被视为菌群失调。一些微生物变化可能代表适应性微生物组重组，例如在干旱、盐碱或养分限制条件下富集耐胁迫类群或有益功能类群。因此，应通过考虑这种变化是否导致有益微生物功能丧失、功能冗余减少、微生物网络弱化或机会性微生物优势增加，来区分菌群失调与适应性重组。在农业系统中，与养分获取、植物促生和对土传病原体自然抑制相关的微生物功能丧失，可能削弱作物产量和全功能体韧性，这突显了通过可持续的微生物组策略维持有益微生物群落的重要性。

5. 植物对非生物胁迫的响应

非生物胁迫是塑造植物生长、产量和微生物组组装的主要环境因素之一。其中，高温、干旱和盐碱是全球范围内影响农业系统的最常见气候驱动胁迫。由于根系是全功能体与土壤胁迫因子之间的主要界面，各非生物胁迫会触发植物地下形态和信号传导中独特且高度特异性的改变。这些胁迫共同通过迫使宿主根系解剖结构发生改变、改变根系分泌物的定性与定量化学图谱、改变土壤理化性质以及诱导根际和内际生态位的确定性重组，从而破坏植物-微生物组互作。这些环境变化常导致菌群失调，损害植物全功能体的功能稳定性，并降低其应对后续或并发环境挑战的整体能力。因此，阐明各非生物胁迫因子如何影响植物相关微生物组，对于揭示植物适应机制以及制定有效的微生物组策略以改善作物在气候变化条件下的韧性至关重要。

5.1. 高温

温度在调节植物生长发育以及与植物相关的微生物群落组成中起着重要作用。预计的全球变暖将加剧高温胁迫，并改变根际微生物群落的组成、多样性和功能活性，对植物生产力和生态系统稳定性产生重大影响。在细胞水平上，高温破坏了膜和蛋白质稳态，引发Ca²⁺内流和活性氧（ROS）积累。这些信号激活钙依赖性蛋白激酶（CDPKs）和丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）级联反应，进而调控下游热响应转录因子和胁迫相关基因。高温还影响微生物碳利用，并可能增加某些植物病原体的毒力，从而加剧高温胁迫下的病害严重程度。尽管如此，许多微生物表现出生理驯化能力，使其能在高温和波动热条件下维持代谢活性。

耐热微生物已进化出多样的生理和分子适应机制，使其能在高温下存活，同时与宿主植物保持有益的互作。耐热微生物，包括内生细菌和丛枝菌根真菌（AMF），可通过维持养分吸收、调节Ca²⁺和ROS信号传导以及增强高温胁迫下的抗氧化能力，来改善植物的耐热性。耐热微生物的农业潜力已在多种作物中得到验证，其中促生细菌可改善高温胁迫下的生物量积累、叶绿素含量、光合效率和作物产量。微生物信号可强化HSFA1–HSFA2/HSFA3–HSE级联反应，诱导热休克蛋白（如HSP70、HSP90、HSP101和小HSPs）的产生，从而在高温胁迫下稳定蛋白质并维持蛋白质稳态。一些有益微生物，如伯克霍尔德氏菌（Burkholderia phytofirmans）PsJN，还能赋予针对多种非生物胁迫的交叉保护作用，突显其在气候韧性农业中的潜力。

在分子水平上，有益根际细菌通过调控相互连接的Ca²⁺–ROS、抗氧化剂和植物激素信号网络来增强植物耐热性，而非仅通过单一途径起作用。高温诱导的超氧阴离子（O₂^?）被超氧化物歧化酶（SOD）转化为H₂O₂，而过氧化氢酶（CAT）和抗坏血酸过氧化物酶（APX）则解毒H₂O₂并限制氧化损伤。有益微生物可增强这些抗氧化系统，同时维持信号传导所需的ROS水平。微生物对脱落酸（ABA）、乙烯和生长素信号的进一步调节，通过调控胁迫响应基因表达、水分平衡和根系发育，有助于耐热性。特别是，微生物产生的吲哚-3-乙酸（IAA）可促进根系发育，而产1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）脱氨酶的细菌可通过降解其前体ACC来减少过量乙烯积累。研究植物-微生物组互作有助于识别有益微生物类群，并开发基于微生物组的策略，以改善作物在未来气候情景下的韧性。

这些高温诱导的微生物和转录变化可能有助于植物全功能体内的热启动，使宿主植物及其相关微生物能够在重复热暴露时更快地做出响应。这种启动可能涉及耐热微生物类群的持续存在、抗氧化能力的增强、激素响应性的改变以及在后续热暴露期间Ca²⁺–ROS和HSF–HSP通路的更快激活，这些共同支持全功能体在反复高温胁迫下的适应。

5.2. 干旱

干旱是限制全球农业生产力的最关键非生物胁迫之一，预测显示由于气候变化，干旱将变得更加频繁和严重。水分亏缺破坏植物水分状况，导致气孔关闭、光合活性降低、养分吸收受损、细胞扩张受抑以及生物量积累减少。在细胞水平上，干旱诱导渗透胁迫、ROS过度积累、膜脂过氧化、蛋白质氧化和代谢功能障碍，最终降低作物产量和品质。为了在这些条件下生存，植物激活复杂的适应性反应，包括通过相容性溶质积累进行渗透调节、上调抗氧化防御、植物激素介导的信号传导以及根系系统改造以增强水分获取。一条关键的干旱响应途径是由ABA介导的，它激活PYR/PYL–PP2C–SnRK2级联反应及下游ABF/AREB转录因子，诱导参与气孔调节、渗透调节和胁迫保护的基因。

除了对植物生理的直接影响外，干旱还深刻改变植物相关微生物群落的结构和功能。土壤湿度降低、土壤理化性质变化以及干旱诱导的根系分泌物改变，会影响微生物招募和群落组装，常常降低微生物多样性，同时富集耐旱类群，如放线菌门（Actinobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）。这些变化影响微生物代谢活性、生态互作和养分循环，可能破坏有益的植物-微生物关联，但也促进能够增强植物在水限条件下适应能力的微生物。

有益微生物通过多种互补机制缓解干旱胁迫，共同改善植物性能。促生根际细菌（PGPR）、放线菌和AMF可增强养分获取、刺激根系生长、调节植物激素平衡、产生渗透保护剂和胞外多糖（EPS）以及表达ACC脱氨酶，从而提高水分利用效率并减少干旱诱导的氧化损伤。微生物IAA可促进根系发育和水分获取，而ACC脱氨酶通过降解其前体ACC来降低过量乙烯积累，从而减轻乙烯介导的根系生长抑制。微生物EPS还可改善根系周围的土壤团聚和保水性。这些微生物还增强SOD、CAT和APX活性，以控制干旱诱导的ROS积累，从而维持细胞氧化还原稳态并减少氧化损伤。

多个微生物类群已被一致报道能增强不同作物物种的耐旱性。假单胞菌属（Pseudomonas spp.）通过ACC脱氨酶活性、植物激素生产和EPS合成来改善植物生长，从而在干旱条件下促进根系发育并维持水分状况。另一方面，链霉菌属（Streptomyces spp.）通过产生刺激根系生长和抗氧化防御的生物活性代谢物，促进干旱适应。AMF通过形成围绕植物根区的广泛菌丝网络来扩大有效根系吸收表面积，从而改善水分和养分吸收，并增强植物在长期水限条件下的生理韧性。

反复干旱可能在根际产生微生物遗留效应，即耐旱微生物类群和功能在初次胁迫暴露后持续存在，并在随后的水分限制期间支持植物性能的改善。这种微生物遗留效应可能强化根系发育、渗透调节、抗氧化能力和养分获取，从而可能促进植物对后续干旱暴露的更快响应。

5.3. 盐碱

盐碱是影响全球农业生产力的主要非生物胁迫之一，不合理的灌溉管理、气候变化和盐水入侵加速了土壤盐渍化进程。可溶性盐，特别是钠离子（Na⁺）和氯离子（Cl^?）的过量积累，破坏离子稳态和水分吸收，导致渗透胁迫、离子毒性、养分失衡和氧化损伤，共同损害种子萌发、光合作用、植物生长和作物产量。为了在盐渍环境中生存，植物激活多种适应机制，包括通过相容性溶质积累进行渗透调节、离子排斥和区室化、抗氧化防御系统以及植物激素介导的胁迫信号传导。盐耐受性的一个关键组分是由盐过度敏感（SOS）途径介导的Na⁺稳态，其中盐诱导的Ca²⁺信号激活SOS3/SOS2，后者进而调节Na⁺/H⁺反向转运体SOS1以促进Na⁺外排。高亲和力K⁺转运蛋白（HKT）和Na⁺/H⁺交换器（NHX）分别进一步促进Na⁺排斥和液泡隔离。

盐碱也通过改变土壤理化性质、微生物代谢和养分供应，深刻影响植物相关微生物群落的结构和功能。高盐浓度降低微生物多样性并改变群落组成，同时选择能够在渗透和离子胁迫下存活的耐盐微生物。这些微生物变化影响养分循环、根系定殖和植物-微生物互作，从而影响盐渍条件下植物全功能体的功能稳定性。

有益微生物通过支持离子稳态、渗透调节和氧化还原平衡的互补机制增强植物的耐盐性。PGPR、内生细菌和AMF可改善养分获取、调节植物激素平衡、维持离子稳态、刺激抗氧化酶活性、产生渗透保护剂和EPS以及表达ACC脱氨酶，共同减少盐诱导的氧化损伤并改善盐渍条件下的植物生长。微生物接种还可通过促进离子排斥或区室化来强化Na⁺/K⁺稳态，同时增强SOD、CAT和APX活性以控制盐诱导的ROS积累。这些响应共同支持高盐度下的光合性能和细胞稳定性。

多个微生物类群已被一致证明能够改善植物在盐胁迫下的性能。芽孢杆菌属（Bacillus）、假单胞菌属（Pseudomonas）、肠杆菌属（Enterobacter）、鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）和泛菌属（Pantoea）的物种通过调节植物激素产生、改善养分可用性和强化抗氧化防御来增强耐盐性。同样，粘质沙雷氏菌（Serratia marcescens）VIRS2已被报道通过脱落酸介导的调节，增加脯氨酸和其他氨基酸等相容性溶质的积累，从而增强水稻的耐盐性。AMF还通过改善养分和水分吸收、维持离子平衡以及增强盐渍环境下的植物生理性能，促进耐盐性。

这种盐诱导的微生物选择可能通过维持与离子稳态、渗透调节、抗氧化调节和植物激素介导的胁迫信号传导相关的微生物功能，促进全功能体在反复盐渍条件下的适应。耐盐微生物类群，包括芽孢杆菌属、假单胞菌属、肠杆菌属、鞘氨醇单胞菌属、泛菌属、沙雷氏菌属和AMF的持续存在，可能提供功能连续性，使植物全功能体能够更有效地响应反复出现的盐胁迫。

5.4. 复合与序贯非生物胁迫：全功能体韧性的权衡

在自然环境中，干旱、高温和盐碱常同时或顺序发生，产生不同于单个胁迫诱导的响应。在单一胁迫下，植物激活相对特异的响应：干旱增加ABA介导的气孔关闭以保水，高温促进蒸腾作用和热休克蛋白（HSP）产生，而盐碱则诱导渗透调节和Na⁺/K⁺稳态。这些胁迫也会增加ROS，通过抗氧化系统如超氧化物歧化酶（2O₂^? + 2H⁺ → H₂O₂ + O₂）和过氧化氢酶（2H₂O₂ → 2H₂O + O₂）进行解毒。然而，在复合胁迫下，这些响应可能相互作用并产生冲突，例如气孔关闭在干旱期间保水，但限制了高温期间的蒸发冷却，而干旱-盐碱组合则需要同时调控水分状况和离子毒性。因此，多重胁迫耐受性依赖于协调重叠且竞争的生理响应，而非简单组合单一胁迫响应。

胁迫信号传导也重塑植物-微生物组互作。激素、氧化还原和代谢信号的变化会改变根系分泌物，包括糖类、氨基酸、有机酸和类黄酮，这些物质影响微生物招募和群落组装。有益微生物随后可通过EPS生产促进根际保水、IAA介导的根系发育、养分溶解和激素调节提供互补功能。微生物ACC脱氨酶可将胁迫诱导的乙烯前体ACC转化为α-酮丁酸和氨（ACC + H₂O → α-酮丁酸 + NH₃），从而减少乙烯积累，而微生物代谢物和挥发性有机物（VOCs）则可启动抗氧化和渗透保护响应。在复合胁迫下，这些功能可能同时运作以维持水分获取、养分和离子平衡以及ROS稳态，表明微生物招募和功能是由宿主的整合胁迫状态而非单一胁迫因子单独塑造的。

序贯胁迫增加了进一步的复杂性，因为首次胁迫可以改变激素信号传导、代谢、根系分泌物和微生物组组成，从而影响对后续胁迫的响应。这种生理和微生物启动可使植物对第二次胁迫做出更快或更强的响应。因此，多重胁迫下的全功能体韧性源于植物信号传导、微生物招募、功能互补性和生理权衡之间的动态互作。这表明微生物组工程应优先考虑具有互补功能的微生物联合体，这些功能在相互作用的和时间上可变的胁迫条件下仍能保持有效性，而不是仅为单一胁迫耐受性筛选微生物。

总的来说，这些研究表明，尽管高温、干旱和盐碱通过不同的生理和生态途径影响植物，但有益微生物采用几种保守的适应机制，包括植物激素调节、抗氧化激活、渗透调节和改善养分获取，来增强植物韧性。