综述：淡水大型植物微生物组的相互作用、过程及生物技术潜力

《Discover Plants》：Interactions, processes and biotechnological potential of microbiomes of freshwater macrophytes

　　

淡水大型植物在其根际、叶际和内生菌中蕴藏微生物组，形成动态的植物-微生物相互作用，调节生态过程。这些相互作用驱动生物地球化学循环（如氮和磷）、有机物降解以及新兴污染物的分解，从而促进水质和生态系统健康。近期研究表明，在天然和人工湿地中，大型植物微生物组促进植物表现、抗逆性和植物修复。但这些相互作用高度依赖环境背景。富营养化、污染和气候相关胁迫等干扰可改变微生物群落结构，导致菌群失调，并诱导致病性、甲烷释放和抗生素抗性微生物的传播。本文中，研究人员整合了关于微生物多样性、群落组装、微生物-微生物及微生物-植物相互作用与生态系统影响的新见解。同时重点介绍了微生物组工程、合成生态学和基因组解析技术的最新进展，这些技术有助于在植物-微生物系统中设计微生物群落，用于废水修复和再利用。尽管取得了进展，但在微生物多样性如何转化为功能、微生物组对环境变化的稳定性以及微生物贡献的实验验证方面仍存在显著研究空白。克服这些问题将有助于建立预测模型和可扩展的、基于自然的途径，以恢复水生生态系统，并确保在循环生物经济中实现可持续用水。

1 引言

大型植物是大型水生植物，代表了许多适应淡水、咸水和海洋环境的分类群。淡水大型植物作为主要初级生产者，为邻近微生物群落提供重要栖息地和食物，并通过释放根系分泌物形成复杂关系。水生环境包含独特且动态的微生物群落，其功能角色尚未完全阐明，主要由于这些环境的异质性和高度变异性。细菌和真菌等微生物在植物生命周期的全部或部分时间内定殖于植物体内，不造成明显危害。植物内部组织（内生菌）和气生结构表面如叶和茎（叶际）支持独特的细菌群落丰富度。根际作为植物-微生物相互作用的热点，由于分泌物释放对微生物群落产生强烈影响。附生生物膜由自养群落（硅藻、绿藻和蓝细菌）和异养群落（细菌、原生动物、真菌等）组成。本综述聚焦淡水大型植物背景下水生植被与相关微生物群落之间的复杂相互关系，这些相互作用可表现为互利共生，增加养分吸收、植物生长和生物修复能力，或表现为致病性，导致植物疾病和生态紊乱。尽管对水生植物微生物组的研究正在兴起，但对环境梯度下微生物多样性的功能后果的认识仍然碎片化，大多数研究局限于特定区室或描述性，缺乏跨植物生态位和生态系统过程的整合。本综述通过综合当前关于微生物多样性、功能相互作用和生态系统后果的知识来填补这些空白，同时批判性评价新兴的生物技术应用，旨在桥接生态理论、微生物组功能和工程视角，为将淡水微生物组研究推向预测和应用导向结果提供概念框架。

2 淡水大型植物的微生物多样性

大型植物支持多种微生物，这些微生物可能通过特定于每个分类群的微生物代谢影响宿主生物学。每个植物生态位都是构建其细菌群落的主要驱动力和选择力，与宿主植物存在不同关系。许多研究者观察到不同生态位中细菌群落以变形菌门（Proteobacteria）为主，真菌群落以子囊菌门（Ascomycota）和担子菌门（Basidiomycota）为主。图1展示了植物系统中不同生态区室相关微生物群的空间组织。

2.1 水生植物的根际

根际定义为植物根周围及受根系活动直接影响的土壤区域。其微环境化学复杂，包含多样微生物群落。在湿地中，植物根际微生物及其与植物的相互作用因其在改善植物环境适应性、消除湿地污染物和缓解气候变化方面的重要性而受到广泛关注。然而，由于湿地水文条件变化，根际环境动态更为复杂。植物通过根系沉积和根分泌物持续向根际输入有机物，影响根际化学和微生物组成。宿主植物特性和局部环境条件对水生植物根际微生物群落有显著影响。总有机碳（TOC）、溶解氧（DO）、宿主植物和季节对根际微生物多样性和稳定性有重要作用。不同研究提出模型将沉积物中磷（P）形态与湖泊大型植物营养特性及根际微生物联系起来，高磷条件下大型植物根际微生物网络复杂性显著增强，正向相互作用和连接度分别提高约105%和91%，表明微生物合作和磷保留能力改善。除少数研究外，独特湿地生境中植物-根际微生物的研究进展和热点仍知之甚少。缺氧和变化的营养状态是水生环境特有的理化特征，对微生物群落施加特定生态过滤。根际和非根际沉积物中微生物群落组成、代谢活动和代谢基因受根分泌物中总有机碳（TOC）浓度和氧化还原电位（ORP）强烈影响，表明挺水植物氧气和根分泌物分泌是影响微生物群落组成和功能的主要机制。Scholz等（2019）提出电缆细菌与不同生长型水生植物的相互作用，根际是电缆细菌的理想生境，电缆细菌与植物根的相互作用可能是水生植物根际的常见特征。电缆细菌为多细胞丝状细菌，常属于脱硫球茎菌科（Desulfobulbaceae），能进行长距离电子传递。目前分为两个可能属：Candidatus Electrothrix（通常见于盐碱环境）和Candidatus Electronema（通常见于淡水环境）。电缆细菌自2012年在海洋沉积物中发现以来，因其产生和传输厘米级电流的能力备受关注。其他细菌物种似乎从与氧气的电子连接中获益，该活动引起沉积物地球化学变化。电缆细菌在淡水和海洋系统中的广泛存在及其对局部生物地球化学的显著影响，突显了其在元素循环和水生生态系统功能中的关键作用。电缆细菌也被报道与水生植物根和水稻（Oryza sativa）相关，但其与自然水生植物关联的程度仍不清楚。

2.2 水生植物的叶际

叶际即植物叶片表面，承载着多样化的微生物生态系统，在农业、医学等领域具有巨大的生物技术潜力。尽管大多数水生植物微生物组研究聚焦根际和沉积物微生物群落，但叶际作为独特生态位近期受到关注。水生叶片上的微生物群落与沉积物或水体可有显著差异，并受水分、光照和养分有效性等选择压力影响。对湿地大型植物宽叶香蒲（Typha latifolia）叶际的研究表明，细菌群落的均匀度和丰富度随植物衰老而下降。另一研究发现，莲（Nelumbo nucifera）叶片上下表面的叶际微生物群是产甲烷菌的被忽视的栖息地，可能是潜在的甲烷源，为甲烷排放与水生植被的复杂关系提供了新见解。抗生素暴露可显著影响叶际和内生细菌种群，叶际细菌对抗生素胁迫的反应比内生菌更明显。叶际微生物组对提高植物规避环境过滤的能力至关重要，但预测叶际微生物组变化对生态系统功能的影响仍受限，需要系统方法理解叶际微生物组与宿主适应性、植物养分吸收、发育和全球气候变化下存活的生态角色。

2.3 水生植物的内生菌

水生植物的内生菌，即生活在其内部组织中的微生物群落，是大型植物相关微生物群中研究最少的领域。Fan等（2023）指出，内生细菌群落结构从根到叶发生显著变化且多样性下降，表明植物参与了内生细菌组的选择。作为宿主相关微生物组的密切组成部分，植物内生菌能增强植物恢复力和胁迫响应，尤其在抗生素污染日益严重的背景下。为实现水生植被系统生态性能和经济生产力的提升，迫切需要全面理解内生微生物组研究现状及其在利用水生植物潜力中的关键作用，该生态位生物勘探在经济和环境方面前景广阔。表1和表2分别总结了细菌和真菌多样性，显示变形菌门和子囊菌门/担子菌门的主导地位。应用先进测序技术揭示了大型植物相关微生物组的广泛见解，例如太湖沉水植物附生细菌群落受微生境和宿主变异影响，变形菌门在不同宿主中均占主导，但群落组成差异显著。更大尺度的水生宏基因组学研究强调区域环境梯度和理化因素（如营养浓度和海拔）对微生物群落的更大影响，可超越宿主特异性效应，导致不同水生生态系统微生物功能潜力差异。近期工作也表明人类活动影响，污染和富营养化导致微生物群落改变和有益植物-微生物相互作用破坏。基因组水平比较研究揭示了淡水微生物组中广泛的基因功能，包括抗生素、代谢和化学物质抗性基因，表明分类结构不能直接与生态系统功能关联。综上，尽管关键微生物类群（如变形菌和子囊菌）持续存在于水生宏观生境中，但微生物群落组成和功能是动态的，受宿主物种选择、环境过滤和人类影响而变化。研究间的变异性凸显了知识空白，建议未来研究采用多组学和实验方法整合微生物功能信息并预测微生物组支持的生态系统过程。

3 淡水大型植物与其微生物组的正向和负向相互作用

3.1 正向相互作用

微生物与植物紧密相连，通过代谢协调，共生微生物增加了它们之间共同进化的可能性。由于关联和共同作用，植物和微生物产生补充现有代谢物的代谢产物，支持植物生长，维持生理状态，缓解多种生物和非生物胁迫。水生大型植物与微生物的关联对植物发育有正向影响，并允许通过复杂代谢途径分解有害物质。根际细菌和内生菌形成种间协同作用，可用于减少多种工业废水成分。例如，从凤眼莲（Eichhornia crassipes）分离的内生细菌能促进植物生长并降解污染物，表明其参与植物组织中的养分转化和污染物降解。Dal湖莲（Nelumbo nucifera）根、叶、根状茎和沉积物等微生境的区室特异性微生物活动组装可能构成多种生理功能的基础。人工湿地（CW）研究表明，植物物种和根区室影响细菌群落组成，这些微生物组与污染物去除机制相关，可用于植物净化。凤眼莲的植物修复和植物刺激特性与可持续发展目标6（SDG-6）清洁水相关，促使重新考虑传统废水净化方法。根际和内生细菌群落还通过降低污染胁迫、增加对环境变化的抗性和直接间接调节植物生长来改善污染物消除。化学信号、代谢交换和环境过滤驱动水生系统中的植物-微生物相互作用。根分泌物富含有机酸、糖和次生代谢物，选择性招募能进行养分溶解、氧化还原转化和污染物降解的微生物类群。微生物则通过植物激素产生、铁载体释放和胁迫响应途径调节影响植物生理。然而，这些相互作用高度依赖背景，营养状态或污染物胁迫变化常导致菌群失调，有益类群被机会性或病原微生物取代。跨系统对比显示结果高度可变，强调需要受控实验验证和功能分析。

3.2 负向相互作用

微生物群落与淡水大型植物之间的关系也有害，附生生物膜通过光调节、气体交换、养分竞争、抗氧化活性和化感物质影响沉水植物，其影响取决于生物膜组成，通常正向效应被中和甚至转为负向。凤眼莲和大漂（Pistia stratiotes）的叶、根和根际水中发现人类病原菌，如肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）、伤寒沙门菌（Salmonella typhi）、粪肠球菌（Enterococcus faecalis）、大肠杆菌（Escherichia coli）、霍乱弧菌（Vibrio cholerae）等。大型植物中也发现多种病毒，主要是正链RNA病毒，增加了病原体传播风险。抗生素、重金属和其他污染物的共存促进抗生素抗性基因（ARGs）和胁迫耐受生物的选择，植物成为抗性决定因素在水生网络中传播的水库和潜在载体。抗生素持续存在会排除关键类群，破坏功能平衡，降低恢复力，扰动生态系统正常功能。变暖和营养盐富集是生态变化的普遍因素，但微生物群落变化的潜在影响和机制过程尚未充分研究。微生物群落对大型植物生态表现的显著负向影响包括直接致病和放大环境胁迫。微生物似乎对入侵大型植物在水生环境中的成功有间接影响，与陆地生态系统类似。本地物种生物量损失、入侵物种繁殖体压力和微生物环境共同决定入侵成功。表3详细比较了正向、中性和负向相互作用。尽管有益植物-微生物相互作用的证据在增加，但当前理解受限于多数研究是观察性和相关性分析，因果推断有限，许多类群功能角色仍属推测而未实验验证。同一微生物类群在不同研究中既有正向也有负向效应，表明强烈的背景依赖性。这些不一致性强调需要受控实验、合成群落方法和组学驱动的功能验证。这些植物-微生物相互作用的累积效应超越个体植物，显著影响生态系统水平过程。

4 大型植物-微生物组相互作用的生态系统水平影响

4.1 甲烷排放和温室气体动态

与淡水大型植物相关的微生物群落是温室气体尤其是甲烷（CH?）的决定因素。产甲烷古菌生长于厌氧沉积物、根状茎甚至叶片表面，导致高水平甲烷排放，尤其在浮水大型植物如莲和凤眼莲中。近期研究揭示叶际是产甲烷菌的被忽视栖息地，地上组织可能是意外甲烷源。另一方面，在好氧水柱和好氧根际中，甲烷氧化菌可在甲烷逃逸到大气前通过氧化部分抵消其产生。富营养化、变暖和水文干扰等环境扰动可能抑制甲烷氧化群落而促进产甲烷菌，使生态系统向更高温室气体排放转变。因此，大型植物-微生物组关系的改变直接影响淡水碳循环和气候反馈。同位素示踪和宏基因组研究表明，大型植物相关系统的甲烷排放不仅由沉积物驱动，还受叶际产甲烷菌和内生古菌调节。植物介导的氧气传输产生微好氧生态位，容纳甲烷氧化菌，为甲烷通量引入空间异质性。大型植物作为甲烷导管和调节器的双重角色说明了气候变化情景下植物-微生物组反馈的复杂性。

4.2 抗生素抗性和微生物污染物的传播

淡水大型植物作为抗生素抗性细菌（ARB）和抗生素抗性基因（ARGs）的来源，主要由于废水排放、农业径流和重金属污染造成的选择压力。这些人为贡献导致环境热点，抗性决定因素在大型植物组织特别是根际和附生生物膜中的细菌群落中富集。多种菌株如大肠杆菌、肠球菌属、克雷伯菌属和弧菌属等反复从大型植物表面分离，多数具有多重耐药表型。这些生物可通过水生网络传播，感染底栖生物、鱼类、灌溉系统甚至下游饮用水。ARGs的持续存在和移动性凸显了大型植物在人为胁迫下与微生物群落相互作用的广泛生态和健康影响，使大型植物成为淡水系统中抗生素抗性的生物指示物和载体。

4.3 营养循环和初级生产力的改变

微生物关联通过氮转化、磷动态和死有机物分解显著影响淡水生境的营养循环。正向根际和附生细菌群落通过反硝化、氨化和有机物矿化等过程改善养分保留和水质。近期研究表明，与大型植物根共存的微生物群落在人工湿地氮和碳消耗中起关键作用，表现为功能基因表达增加和微生物活性增强。因此，正向大型植物-微生物组关系通过减少内源营养负荷和阻碍富营养化引起的不平衡发展来增强生态系统稳定性。然而，这些有益相互作用可被水文不稳定、富营养化和污染物胁迫等环境因素扰乱。富营养化可导致微生物变化，降低大型植物生物量、养分吸收率和生态功能恶化。以病原菌或致密附生生物膜为主的微生物组减少光照可用性，削弱光合潜力，导致植物退化增加和初级生产力改变。通过这种植物营养控制的削弱，营养物泄漏到水柱增加，进而促进有害藻类生长和缺氧。因此，通过有益和有害微生物群落维持营养循环取决于它们以及更大尺度上的淡水生态系统。

4.4 入侵动态和植物群落转变

地下微生物群落是入侵大型植物成功的关键但常被忽视的决定因素。一些入侵类群携带高度适应或胁迫耐受的微生物组，促进养分获取、污染物抗性和快速定殖。相反，在扰动条件下，如果根际微生物组变得更致病或机会主义，本地物种可能减少。微生物介导的响应可加速本土植物被替代，操纵竞争关系并改变整个植物群落。随着入侵者增加，它们改变沉积物化学，改变微生物组成，并继续促进自身存活，形成自我强化的入侵循环。基于此，大型植物-微生物组相互作用是解释入侵和长期淡水植被稳定性的生态框架的一部分。

5 人工湿地（CW）：植物-微生物相互作用的工程系统

人工湿地（CW）是复制自然的工程系统，在受控条件下利用物理、化学和生物过程修复废水。近年来，废水回收和再利用作为补充水源日益受到关注。人工湿地对不同污染物的修复主要依赖微生物活动，处理四种常见水污染物：氮、磷酸盐、重金属和抗生素。附生生物膜中反硝化基因（nirK和nirS）比浮游细菌更普遍，并随铵态氮浓度增加而增加，表明在高氮负荷人工湿地中，沉水植物-生物膜系统可能具有可观的反硝化潜力。Zhao等（2016）实验表明，在10°C低温下，生物强化使总氮和氨去除效率比未强化对照组高10%，揭示了氮转化与引入微生物接种物活力和适应性的直接关系。CW微生物组主要包括变形菌门和拟杆菌门（Bacteroidetes），受废水、基质介质、植物和环境的复杂影响。将人工湿地与其他先进技术如膜生物反应器（MBRs）、电化学氧化和微生物燃料电池（MFCs）结合，可提高对农药、药品、个人护理品和工业化学品等新兴微污染物的去除。CW中的植被与微生物群落共同创建了一个简单、生态友好的处理过程，持续支持全球生态系统。

5.1 混合CW-MFC系统

混合人工湿地-微生物燃料电池（CW-MFC）是一种潜在的生物电化学系统，其中根际植物和微生物通过分泌物和微生物活动协同将太阳能转化为生物电。CW-MFC框架将大型植物生长、废水处理和生物发电整合为单一低碳足迹操作，为资源受限环境和循环生物经济应用提供可持续的能源回收和营养物修复途径。近期设计提高了处理效率，基因组解析宏基因组学可精确划分电子传递、污染物降解和稳定系统的功能微生物类群。比较CW-MFC实验表明，基于阳极的厌氧降解和植物介导的氧气释放协同作用，比传统CW更高水平地消除有机物和转化氮。利用粗肋草（Aglaonema commutatum）、绿萝（Epipremum aureum）、龙血树（Dracaena braunii）和心叶喜林芋（Philodendron cordatum）的CW-MFC研究显示，心叶喜林芋达到最高电压（103 mV）和功率密度（12.5 mW/m²），峰值性能与高漫射太阳辐射（3000-4000 μmol m^-2 s^-1）和高根分泌物浓度（20.6 mg/L总有机碳）相关，突显了根际碳输入对电子传递过程的影响。CW-MFC系统设计的最新进展增强了对其运行性能和放大的认识，电活性生物膜与大型植物系统的耦合改善了电子传递机制。引入地杆菌属（Geobacter）和希瓦氏菌属（Shewanella）等电化学活性细菌可通过促进胞外电子传递提高功率输出和废水处理效率。此外，反应器设计、电极材料和植物物种对提高效率至关重要，混合CW-MFC系统实现同时废水处理、营养物去除和生物发电。然而，在维持长期性能、放大至实际部署以及解析植物与微生物生理及电化学过程相互作用方面仍存在挑战。