《Plant Stress》：Engineering climate resilience: Harnessing the plant microbiome for enhanced CO
2 response and thermotolerance
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气候变化——以大气CO2浓度上升（预计到2100年达到550–700?ppm）和全球温度升高2–4?°C为标志——对植物施加了多因素胁迫，包括光合适应、渐进性氮限制和生殖障碍。这些制约因素通常超出了通过传统育种和基因工程所能实现的适应能力。植物微生物组——包括
气候变化——以大气CO2浓度上升（预计到2100年达到550–700?ppm）和全球温度升高2–4?°C为标志——对植物施加了多因素胁迫，包括光合适应、渐进性氮限制和生殖障碍。这些制约因素通常超出了通过传统育种和基因工程所能实现的适应能力。植物微生物组——包括定殖于根际、叶际和内生的细菌、真菌和古菌——构成了一个在很大程度上尚未开发的功能性状库，具有在如此胁迫下增强宿主韧性的潜力。本综述综合了关于有益微生物如何介导植物对升高CO2（eCO2）和热胁迫响应的当前理解。在eCO2条件下，微生物伙伴通过固氮菌和丛枝菌根真菌促进氮素获取、优化碳分配以及维持微生物碳泵活性，从而缓解光合下调。在热胁迫下，它们通过多种途径提供保护：通过胞外多糖和生物膜实现结构性缓冲；通过植物激素、渗透调节物质和1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）脱氨酶进行生化引发；以及通过诱导热激蛋白、抗氧化防御和建立胁迫记忆的表观遗传修饰进行分子强化。在CO2?×?热?×?微生物组的交互作用节点上的相互作用是情境依赖的，产生由根系分泌物化学和关键微生物类群介导的加性、协同或拮抗结果。研究人员提出了一个涵盖以下方面的集成工程框架：(1) 基于多组学的发现流程；(2) 基于生态学理论的自上而下的合成群落设计；(3) 自下而上的宿主育种和基因编辑以优化微生物组招募；(4) 先进的配方和递送系统；(5) 在田间相关气候情景下结合生态风险评估的转化验证。利用植物微生物组为气候韧性农业提供了一种变革性的、自我维持的策略——该策略同时支持作物生产力、土壤健康和生态系统稳定性。
1. 引言：变化的大气带来的双重挑战
全球气候变化主要通过大气CO2浓度上升（预计到2100年达到550–700 ppm）和同期升温2–4?°C对植物施加多因素压力。升高CO2（eCO2）通常会增强C3植物的光合作用并刺激生物量生产；然而，这种益处通常是短暂的，且高度依赖于氮（N）的有效性和库容能力。同时，更高的温度会加速呼吸作用的碳损失，这可能抵消光合作用的增益。在eCO2-升温交互作用下的水分关系同样复杂：虽然eCO2降低了气孔导度并提高了水分利用效率，但升温增加了蒸气压亏缺，从而加剧了蒸腾损失并可能抵消潜在的水分节约。物候发育也随升温而加速，但对eCO2的反应仍然多变，造成了发育时序上潜在的错配。至关重要的是，植物对eCO2和热胁迫组合的反应具有高度的物种和基因型特异性，反映了光合途径、资源分配策略和适应能力的差异。
传统育种和基因工程在应对这一多方面挑战方面面临内在限制。驯化瓶颈缩小了遗传多样性，侵蚀了野生祖先种中存在的抗逆性等位基因库。此外，赋予耐热性和CO2响应性的性状是多基因控制的，受复杂的调控网络支配，这些网络在大多数作物物种中仍未得到充分表征。权衡取舍进一步使工作复杂化，因为增强对一种胁迫的耐受性往往会损害抗病性、养分效率或产量潜力。监管障碍、公众怀疑和技术限制延迟了转基因作物的部署。此外，气候变化的速度超过了育种周期，而即使是先进的CRISPR-based编辑也受到功能注释不完整的限制。这些集体瓶颈凸显了对超越植物基因组运作的补充性适应策略的需求。
一个概念性的转变已将植物重新定义为非自主实体，而是作为全生物体——其适应性源于与其相关微生物组的紧密整合的相互作用。这个微生物联盟——包括定殖于根际、叶际和内生的细菌、真菌和古菌——可以迅速动员以响应胁迫。微生物功能多样，包括固氮、溶磷、产铁载体、植物激素调节和诱导系统性抗性。在eCO2条件下，改变的根系分泌物模式招募专门的微生物类群，这些类群增强氮循环，从而缓解渐进性氮限制。在热胁迫下，微生物伙伴贡献于渗透保护、增强胞外多糖合成、调节胁迫激素以及上调宿主热激蛋白的表达。值得注意的是，一些内生微生物诱导跨代表观遗传修饰——如H3K4me3富集或DNA甲基化——从而赋予可遗传的耐热性。胁迫本身充当了一个选择性过滤器，将微生物群落重构为向耐热类群和胁迫适应性功能基因倾斜。极端和原生微生物组仍然是一个未开发的、具有气候韧性性状的资源库。然而，从实验室发现到田间应用的实际转化仍然是一个持续的挑战，因为引入的接种剂往往在本地微生物竞争和环境变异下难以定殖。这一差距强调了从描述性方法转向有意识的微生物组工程的必要性——即针对特定环境背景理性设计和稳定化微生物联合体。
2. 微生物对植物响应升高CO2（eCO2）的调节
2.1. eCO2范式：从碳增益到氮限制
大气CO2浓度上升通常会增强光合碳同化，导致植物生物量和生产力增加。然而，这种碳增益常常引入一个生理悖论：氮获取的渐进性下降，导致植物组织内碳/氮（C/N）平衡被破坏。这种现象广泛称为“升高CO2下的氮限制”，突显了CO2富集的双重性质——刺激碳固定同时限制氮同化。实验证据表明，eCO2显著提高了植物组织的C/N比，尽管当供应铵态氮而非硝态氮时，这种效应得到明显缓解。这种“氮困境”的机制基础源于两个主要因素：稀释效应和生理限制。C/N失衡的下游后果体现在代谢和发育过程中。eCO2结合有限的氮有效性会诱导烟草叶片过早衰老，这是由糖积累驱动的。此外，eCO2深刻改变了地下碳通量，观察到溶解性有机碳释放大幅增加以及根系分泌物化学计量比的改变。这些变化通过刺激微生物活性重塑了根际碳-氮相互作用，创造了动态反馈。
2.2. 根际微生物组：碳-氮耦合的介导者
2.2.1. 氮循环者：共生和联合固氮菌活性增强
根际微生物组是eCO2下碳-氮耦合的核心界面，因为增加的地下碳通量刺激了共生和联合固氮微生物。豆科植物中的根瘤菌和放线菌结瘤植物中的弗兰克氏菌等共生固氮菌在eCO2下常表现出增强的活性，尽管反应受到养分有效性和非生物胁迫的限制。研究表明，eCO2增加了桤木属植物的结瘤和固氮酶活性，但这些积极效应在磷限制和干旱下减弱。相比之下，联合固氮菌对eCO2的反应表现出更大的变异性。在陆地系统中，群落重构更为明显：研究发现eCO2、氮肥和水分亏缺的组合改变了热带稻田土壤中固氮菌群落的组成。在过程层面，一项荟萃分析显示，eCO2总体上增强了硝化和反硝化潜力，并增加了关键功能基因的丰度，尽管对净生物固氮的影响仍然强烈依赖于情境。磷有效性成为固氮酶活性的关键调节因子，因此也是固氮菌利用eCO2下增加的碳输入能力的关键调节因子。根瘤菌菌株间的竞争动力学为eCO2下的氮循环增加了另一层复杂性。
2.2.2. 丛枝菌根真菌：刺激养分获取
eCO2持续增强丛枝菌根真菌（AMF）的定殖，主要是通过增加植物向根部及其真菌伙伴的碳分配。这种强化的共生关系反映了植物-真菌连续体内的代谢和信号调整。一个CO2响应的系统性信号通路被鉴定出来，该通路整合了生长素和独脚金内酯的生物合成以调节菌根建立。独脚金内酯作为根际信号，促进AMF孢子萌发和菌丝分枝。eCO2下增强的AMF定殖的生态和功能结果是深远的，特别是对于养分获取和土壤-植物反馈。研究表明，eCO2下的AMF接种优化了蚕豆的氮、磷和钾吸收，改善了养分平衡和土壤肥力。物种特异性和情境依赖的AMF响应突出了这些相互作用的复杂性。
2.2.3. 碳汇动态：微生物激发和坏死物稳定化
eCO2通过增强根系分泌物来调节地下碳循环，从而刺激微生物激发——即通过激活异养微生物群落加速土壤有机质（SOM）分解。这个过程是决定陆地生态系统在全球变化下充当碳汇还是碳源的关键机制。研究表明，细菌坏死物在介导矿物结合态有机质（MAOM）对eCO2的响应中起主导作用。氮有效性被确定为调节激发强度的主要因素。长期施氮实验的证据表明，在持续施氮下，微生物群落从K-对策者向r-对策者的生活史策略转变，影响碳利用效率和激发结果。微生物激发的双重作用——增强SOM周转同时通过微生物坏死物积累促进长期碳储存——越来越被认为是土壤碳动态中的一个关键反馈。真菌和细菌类群对这些过程的贡献不同。生态系统情境在气候和土壤梯度上关键性地塑造了这些动态。
2.3. eCO2下的叶际微生物组：变化的地上景观
2.3.1. 群落结构和功能的转变
叶际——植物地上组织与大气之间的界面——容纳着多样的微生物集合，其对eCO2驱动的叶片生物化学和生理学变化敏感地做出响应。经验证据表明，eCO2可以重构微生物群落并改变它们在碳循环和植物健康中的功能角色。研究表明，eCO2改变了定殖于温带林地溪流中落叶层的微生物集合。在水稻系统中，eCO2下水稻叶际细菌群落的组成随发育阶段和环境条件而变化。季节模式进一步调节了这些响应：长期田间观测揭示，升温和eCO2共同影响了叶际微生物区系的时间更替。总体而言，这些发现表明eCO2不仅重塑了叶际群落结构，还以依赖于植物物种、发育时间和环境背景的方式影响了微生物功能潜力。
2.3.2. 对叶片化学和气孔导度变化的响应
eCO2影响叶片化学和气孔功能，从而改变叶际微生物组的选择环境。叶片次生代谢产物，特别是酚类化合物，在改变碳有效性下作为塑造微生物招募的关键生化过滤器发挥作用。研究表明，水稻的酚类特征动态响应eCO2。同时，气孔导度代表了eCO2修改植物-大气交换和叶表面微气候条件的关键生理界面。来自灌木橡树生态系统的实验证据表明，eCO2诱导了蒸腾通量的直接和间接改变，影响了叶际的湿度和微生物定殖潜力。在解剖学水平上，在松针经过十年eCO2暴露后观察到气孔密度增加，表明了长期的结构适应。
2.4. 微生物对光合适应和产量的影响
2.4.1. 缓解光合下调
长期暴露于eCO2通常会诱导光合下调，这主要是由于库容量限制和氮缺乏所致。新兴证据表明，有益微生物可以通过增强养分动态、调节激素平衡和加强持续碳同化的生理能力来抵消这些反馈约束。研究表明，土壤微生物群落的变异驱动了松树物种对eCO2的差异性响应。内生木霉菌株通过多种机制增强光合能力——改善养分吸收、调节促生长激素以及激活植物防御途径。内生菌关联减轻了eCO2诱导的水稻在氮限制条件下的光合下降，改善了电子传递、叶肉导度和水分利用效率。
2.4.2. 机制：养分有效性和库强度
微生物关联缓解eCO2或养分限制条件下光合下调的能力主要源于它们缓解养分约束和维持强库需求的能力。植物与微生物之间的共生相互作用增强了根际内的资源获取和养分周转，促进了持续的碳同化。例如，AMF和根瘤菌的双重接种协同提高了低投入系统下的苜蓿生产力。维持库强度构成同等重要的持续光合能力决定因素。光合作用受植物利用或储存同化碳能力的调节——即库限制原理。在此概念基础上，研究表明，在eCO2条件下保持增强的CO2吸收和生物量积累能力需要刺激根系生长和资源获取，而这些机制常由有益微生物促进。
2.4.3. 案例研究：防止光合下调的特异性微生物
木霉属提供了生物学缓解光合下调的最具代表性的例子之一。木霉相关的引发涉及激活多种植物防御和代谢途径，这些途径共同维持了胁迫下的光合效率。固氮内生菌是另一个能够防止环境胁迫下光合下降的重要微生物群体。研究表明，促进植物生长的放线菌改善了在eCO2下生长的油菜的代谢物积累和抗氧化防御系统，从而保护叶绿体组分免受氧化损伤。
3. 微生物组增强的植物耐热性
3.1. 植物热胁迫的多面性
热胁迫诱导了一个复杂的生理、生化和分子扰动网络，共同限制了植物的生长、发育和生产力。耐热性是一个高度多基因的性状，涉及众多细胞过程间错综复杂的相互作用。在细胞水平上，高温损害膜完整性，促进蛋白质变性，并加速活性氧（ROS）的积累。增加的膜流动性和脂质过氧化破坏了离子稳态和区室化。为了应对这些效应，植物动态重塑膜脂。热暴露进一步扰乱蛋白质折叠并促进聚集。为了缓解这种情况，植物诱导热激蛋白（HSPs）的合成，它们作为分子伴侣来重新折叠变性的蛋白质并防止聚集。与此同时，高温增强了叶绿体、线粒体和过氧化物酶体中的ROS生成。植物启动协调的抗氧化防御。在热敏感度最高的植物过程中，那些控制生殖的过程尤为突出。高温破坏绒毡层发育，降低花粉活力，并损害受精过程。
3.2. 热缓解的直接微生物机制
3.2.1. 生理卫士：微生物胞外多糖和生物膜形成
微生物胞外多糖（EPS）和生物膜形成构成了根际内重要的生理防御，改善了高温下的根系水合作用和微生境稳定性。EPS增强土壤团聚体和根系周围的水分保持。这些聚合物形成一个水合基质，缓冲根系免受热波动和干燥的影响。EPS的热保护效率强烈依赖于它们的单糖组成、聚合物架构和交联程度。除了物理保护，产EPS的微生物通过增强抗氧化酶活性来促进植物生化防御。EPS也被认为参与调节宿主激素平衡和增强ACC脱氨酶活性。
3.2.2. 生化引发：植物激素、ACC脱氨酶和渗透调节物质
微生物来源的植物激素是植物生长调节、胁迫信号传导和防御基因激活的关键介导者。一个支撑微生物诱导耐热性的核心机制涉及ACC脱氨酶活性。拥有这种酶的微生物裂解ACC，从而减弱过量的乙烯生物合成。代表性产ACC脱氨酶的分类群包括假单胞菌属、固氮螺菌属、芽孢杆菌属等。此外，许多有益微生物合成相容性溶质，如脯氨酸、海藻糖和甘氨酸甜菜碱，它们在高温胁迫下维持细胞稳态。最近的进展强调，产ACC脱氨酶菌株与互补的PGPR或内生菌伙伴共接种，在热胁迫下能产生植物生理和生化性能的协同改善。
3.2.3. 分子防御：诱导热激蛋白和抗氧化系统
微生物激发子在激活植物热胁迫下的分子防御机制中起着关键作用，主要是通过诱导HSPs和抗氧化系统。微生物信号对植物热激因子（HSFs）的激活会上调HSP表达。一项里程碑式的研究表明，根内生菌沙雷氏菌属SA187在热胁迫记忆基因位点诱导组成型染色质修饰——特别是H3K4me3——导致持续的HSP表达。小热激蛋白（sHSPs）作为分子伴侣以防止蛋白质聚集。微生物相互作用进一步调节植物抗氧化防御。信号分子如一氧化氮（NO）调节抗氧化酶活性，维持热胁迫下的氧化还原稳态。PGPR已被证明能增强干旱胁迫下的叶片抗氧化代谢。全基因组分析表明，热胁迫触发表观遗传修饰和抗氧化基因的转录重编程。
3.3. 间接机制：微生物组介导的系统性抗性和交叉耐受
3.3.1. 诱导系统性抗性和诱导系统性耐受
诱导系统性抗性（ISR）和诱导系统性耐受（IST）代表了微生物介导的防御策略，能在不施加组成型防御激活相关代谢负担的情况下增强植物对生物和非生物胁迫的韧性。这些引发状态通常由有益的根际和内生微生物触发。在机制上，ISR和IST涉及保护性代谢产物的系统性积累，以及胁迫响应基因网络的激活。这些过程通过茉莉酸（JA）、乙烯（ET）、水杨酸（SA）、脱落酸（ABA）和生长素途径之间复杂的激素串扰进行协调。在转录水平上，系统性重编程由关键的调控枢纽控制。
