《MicrobiologyOpen》：From Rhizosphere to Resistance: Microbe-Plant Interactions in Eco-Smart Biocontrol
摘要专业翻译
化学农药日益凸显的局限性，如环境污染、病原体抗药性以及对人类和生态系统健康的威胁，加剧了对可持续、基于生物学的作物保护方法的需求。生态智慧型生物防治（eco-smart biocontrol）已成为一种变革性范式，利用与植物相关的有益微生物来抑制植物病原菌、增强植物免疫，并使农业生态系统随时间推移更具韧性。超越传统的单菌株生物防治，生态智慧型生物防治整合了多组学发现、人工智能辅助的预测性微生物组设计以及动态根际生态学。本综述汇聚了生态智慧型生物防治的生态学、分子学和技术维度，重点关注根际作为植物-微生物互作的动态热点。研究人员探究了根际微生物群落的组装过程，并论证了植物根系分泌物对有益细菌、真菌、放线菌和菌根共生体的优先招募。此外，本综述强调了多组学技术（宏基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学）、系统生物学和人工智能在微生物生防菌剂发现、功能验证和预测性设计方面的创新影响。来自谷类作物、豆科作物和园艺作物的实例表明，有益微生物接种剂的应用可显著降低病虫害负担、提升作物生产力，并能完美契合综合病虫害管理（integrated pest management, IPM）体系。最后，研究人员批判性地分析了阻碍大规模应用的主要挑战，如田间表现不一致、微生物存活力和竞争力有限，以及全球市场间相对差异化的监管框架。最终，生态智慧型微生物生物防治将机制见解与组学驱动的发现、人工智能辅助预测、先进制剂策略和田间验证相结合，为韧性、低投入的农业系统构建了一个强健、可扩展且环境友好的框架。
主体内容总结
1 引言
化学农药的长期依赖已导致病原体抗药性、土壤生物多样性丧失、食品污染和生态系统服务破坏等问题。在此背景下，生态智慧型生物防治作为一种融合生态学、微生物作用与系统思维的植物病害可持续管理新范式应运而生。与传统依赖单一拮抗菌株经验性施用的生物防治不同，生态智慧型生物防治强调微生物多样性、功能冗余、多菌株联合体（multi-strain consortia）以及与植物基因型和农业生态系统的兼容性。该框架将干预策略从使用单一“生物杀菌剂”治疗症状，转向工程化构建具有韧性、自我维持的根际微生物组，通过根系分泌物、小RNA（small RNAs）和诱导系统抗性（induced systemic resistance, ISR）与植物宿主持续通讯。生态智慧型生物防治的核心在于根际微生物组，植物根系释放的化学物质作为有益微生物的选择因子，而根际微生物则为植物提供养分、拮抗病原菌并缓解逆境胁迫。尽管微生物农药具有可生物降解、环境友好等优势，但其田间表现不稳定、宿主反应差异大以及植物-微生物互作机制认知有限等问题仍制约其广泛应用。下一代组学技术、系统生物学和人工智能方法正在改变生物防治的设计方式，使关键类群（keystone taxa）、功能性状和微生物功效预测性标记的发现成为可能。
2 根际作为动态微生物热点区域
根际是受植物根系显著影响的生态独特土壤区域，以极端的理化梯度和生物活性为特征。根际沉积（rhizodeposition）包括根系分泌物、黏液、边界细胞和脱落植物组织的持续分泌，使根际微生物群落在分类学、代谢和功能上区别于非根际土壤。
2.1 根际微生物群组成：细菌、真菌、放线菌、古菌和原生生物
根际微生物组由细菌、真菌、放线菌、古菌和原生生物组成的高度多样化群落构成。细菌占比最大，变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteriota）、拟杆菌门（Bacteroidota）和厚壁菌门（Firmicutes）在农业根际土壤中数量丰富，多数可作为植物促生根际细菌（plant growth-promoting rhizobacteria, PGPR）。真菌中的腐生菌、内生菌和丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi, AMF）在有机物分解、养分获取和土壤团聚体构建中发挥重要作用。放线菌尤其是链霉菌属（Streptomyces）以丝状形态和丰富的抗生素合成能力著称，是天然抑病土壤的重要组分。古菌参与硝化和甲烷代谢等关键过程，原生生物作为微生物捕食者调控细菌种群动态并促进养分循环。
2.2 根系分泌物作为微生物调节因子：糖类、氨基酸、酚类和黄酮类
根系分泌物包含简单糖类、氨基酸、有机酸、酚类、黄酮类及特殊次生代谢物，兼具营养源和化学信号分子功能。简单糖类如葡萄糖、果糖和蔗糖可被根际细菌快速消耗，影响细菌的趋化性和根系定殖。氨基酸不仅提供碳氮源，还参与基因表达调控和微生物竞争能力调节。酚类化合物可抑制土传病原微生物并促进PGPR和固氮菌等有益微生物增殖，黄酮类则作为共生信号诱导物参与植物-微生物互惠关系的建立。根系分泌物的组成和数量具有高度可塑性，受植物基因型、发育阶段、营养需求和环境胁迫因素调控，使植物能够根据生理需求和环境条件调整根际微生物群落。
2.3 根际微生物群落组装与演替
根际微生物群落的建立涉及选择性和随机性过程，取决于宿主植物特性、土壤条件和微生物群落内部互作。根系作为生态过滤器，仅允许能够代谢根系分泌物并耐受根际特定条件（如氧含量、pH和养分浓度变化）的微生物定殖。宿主遗传和发育阶段显著影响根际微生物组组成，不同生长阶段形成独特的微生物群落。先锋微生物通过消耗养分、产生代谢物和创造生态位改变环境，影响后续微生物的定殖，呈现类似经典生态演替的模式。微生物间的竞争、互惠、交叉喂养和原生动物捕食等关系进一步精细调控群落结构和功能稳定性。
3 微生物生物防治机制与竞争动态
微生物生物防治涉及生态学和分子学策略的协同应用，实现对植物病原菌的有效控制、宿主防御反应的调控和根际稳定性的维持。主要生防途径包括营养竞争、直接拮抗、重寄生、群体感应干扰和稳健的根系定殖。
3.1 营养与生态位竞争
微生物间对植物根系产生的有机碳底物、铁等微量元素和根际空间定殖生态位存在激烈竞争。铁载体（siderophore）合成是关键竞争机制，荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）等有益微生物通过高效螯合土壤基质中的三价铁，限制竞争性植物病原菌的铁获取并抑制其毒力。此外，通过快速根系定殖和生物膜形成进行的空间生态位竞争可阻止植物病原菌占据根表皮的侵染位点。
3.2 直接拮抗、抗生作用和挥发性有机化合物
拮抗竞争通过产生抗微生物次生代谢物、裂解酶、挥发性有机化合物（volatile organic compounds, VOCs）和群体感应抑制剂直接抑制竞争微生物。芽孢杆菌属（Bacillus）产生的环状脂肽如表面活性素（surfactin）、伊枯草菌素（iturin）和丰原素（fengycin）可破坏病原菌细胞膜，导致细胞渗漏和裂解。假单胞菌属（Pseudomonas）和链霉菌属（Streptomyces）菌株合成吩嗪（phenazines）、吡咯菌素（pyrrolnitrin）、藤黄绿脓菌素（pyoluteorin）和2,4-二乙酰基间苯三酚（2,4-diacetylphloroglucinol, 2,4-DAPG）等芳香族抗生素，干扰细胞代谢和氧化反应。氢氰酸、乙偶姻和3-羟基-2-丁酮等挥发性有机化合物可在土壤基质中传播，限制病原菌生长并同时引发宿主防御基因的 priming。
3.3 病原菌的寄生与捕食
直接寄生和捕食构成高效、类群特异性的生物防治机制。木霉属（Trichoderma）和粘帚霉属（Gliocladium）等真菌重寄生菌可识别土传真菌病原菌的菌丝，缠绕其上并分泌几丁质酶、β-1,3-葡聚糖酶和蛋白酶等细胞壁降解酶，导致菌丝裂解，同时释放微生物相关分子模式（microbe-associated molecular patterns, MAMPs）刺激植物防御反应。溶杆菌属（Lysobacter）和蛭弧菌（Bdellovibrio bacteriovorus）等捕食性细菌可捕食并裂解病原细菌，调控根际微生物种群动态。
3.4 群体感应干扰与信号破坏
许多植物病原菌依赖群体感应（quorum-sensing, QS）系统协调毒力因子产生、生物膜形成和宿主侵染。通过酶促干扰进行的群体淬灭（quorum quenching）提供了一种环境友好的生防策略。有益根际微生物分泌内酯酶（lactonases）、酰基酶（acylases）和氧化还原酶等特异性酶，降解或修饰N-酰基高丝氨酸内酯（N-acyl-homoserine lactones, AHLs）等主要QS信号分子，在不施加强选择压力的情况下破坏病原菌的协同毒力。
3.5 生物膜形成与根系定殖
持续的生防效果需要高效稳定的根系定殖。细菌附着和胞外聚合物（extracellular polymeric substance, EPS）基质产生使芽孢杆菌属、假单胞菌属和内生菌株等有益类群能够在根表形成结构化生物膜。这些生物膜形成抵御病原菌入侵的物理屏障，维持与宿主植物的长期关联以持续触发ISR，并提供对非生物环境胁迫的增强韧性。
4 微生物介导的植物诱导抗性
有益微生物的作用不仅限于抑制病原菌，还涉及诱导植物免疫反应，通过特定信号网络、转录重编程和免疫记忆提升植物抵御病原菌攻击的能力。
4.1 诱导系统抗性（ISR）
ISR是指植物因非致病性根际和内生微生物定殖根系而产生的免疫力增强状态，具有非寄主特异性，主要由茉莉酸（jasmonic acid, JA）和乙烯（ethylene, ET）激素信号通路调控。荧光假单胞菌、枯草芽孢杆菌和丛枝菌根真菌是有效的ISR诱导菌。这些微生物分泌MAMPs、铁载体和VOCs，被植物受体识别后引发系统性免疫 priming。ISR对多种病虫害提供广谱免疫，且在植物正常发育过程中生理代价极小。
4.2 系统获得抗性（SAR）及其与ISR的交叉对话
SAR是通常继局部病原菌感染后产生的持续性免疫反应，使整个植株产生抗性，与水杨酸（salicylic acid, SA）和病程相关蛋白（pathogenesis-related proteins, PR proteins）的生物合成相关，主要针对活体营养型和半活体营养型病原菌。尽管ISR和SAR传统上被视为独立机制，但积累的证据表明两者之间存在显著的交叉对话。ISR诱导根际细菌可增强SAR相关基因的敏感性，使植物在病原菌攻击时能够立即激活防御反应。
4.3 激素信号网络：茉莉酸、水杨酸和乙烯
JA、SA和ET是调控诱导抗性的主要信号分子。JA信号通路在ISR中发挥关键作用，负责抵御死体营养型病原菌和昆虫害虫，有益微生物上调JA及下游转录因子合成，导致PDF1.2等防御相关基因表达水平升高。SA是SAR的主要调控者，通过PR蛋白（PR1、PR5）表达诱导对活体营养型病原菌的抗性。ET作为重要调节因子，协调JA和SA诱导的反应，其信号转导组分如EIN2和ERFs参与ISR激活。这些激素通路间的互作使植物能够根据病原菌类型和环境条件精细调整免疫反应。
4.4 防御 Priming 与免疫记忆
植物防御 priming 是一种经济上有利的策略，植物在不持续激活防御机制的情况下提升防御能力。受病原菌刺激时，植物表现出快速增强的转录和代谢反应，如PR基因、WRKY转录因子和产生活性氧（reactive oxygen species, ROS）酶的快速诱导。根际细菌、菌根真菌和内生菌可触发系统性 priming，训练植物免疫系统高效应对未来生物胁迫。近期研究发现 priming 可能依赖组蛋白甲基化和乙酰化等表观遗传机制，这些表观标记可在发育过程中甚至跨代稳定存在，构成免疫记忆和抗病性的机制基础。
5 根际分子对话
根际是动态的分子通讯界面，植物和微生物在此进行化学信号、蛋白质、RNA和代谢物的交换，调控根系定殖、免疫反应、养分循环和微生物群落动态。
5.1 微生物激发子与效应子
微生物激发子是微生物合成的保守或半保守化合物，被植物识别后触发免疫或发育信号，包括flg22、脂多糖（lipopolysaccharide, LPS）、肽聚糖和真菌细胞壁几丁质寡聚体等MAMPs。微生物激发子的检测触发模式触发免疫（pattern-triggered immunity, PTI），特征为钙离子升高、ROS爆发、MAPK激活和防御基因表达。病原菌则利用效应蛋白干扰宿主免疫系统，作用于BAK1和BIK1等受体相关激酶和免疫组分。有益微生物具有效应子或类效应子分子，能够操纵宿主信号通路以利于定殖而不触发强烈免疫反应。
5.2 植物模式识别受体与信号区分
植物对微生物信号的识别主要由质膜上的模式识别受体（pattern recognition receptors, PRRs）介导，如识别鞭毛蛋白的FLS2受体。植物系统进化出信号区分能力，能够区分病原菌与有益微生物。例如，根瘤菌共生信号分子Nod因子通过LysM结构域受体蛋白被识别，启动共生信号级联反应同时抑制强烈免疫反应的激活。
5.3 小RNA与跨界通讯中的表观遗传调控
miRNAs和siRNAs等小RNA已被确定为植物-微生物互作的重要调节因子。近年研究揭示了跨界RNA转运现象，植物产生的小RNA可释放至根际并被微生物吸收以调控其行为和基因表达，微生物也能向植物细胞释放小RNA以抑制植物免疫或影响代谢。组蛋白修饰、染色质重塑和防御基因的DNA甲基化状态可导致记忆反应，使植物在重复胁迫条件下能够更快响应，表观遗传重编程将植物与微生物的瞬时互作转化为防御能力的持久改变。
5.4 植物-微生物通讯的代谢组学
代谢组学为理解根际化学通讯提供了创新工具。基于质谱的技术（LC-MS、GC-MS和成像代谢组学）能够高分辨率检测和定位根系中的代谢物。代谢组学研究揭示了特定根系分泌物谱可促进共生微生物增殖并抑制病原菌，从而建立抑病根际。微生物次生代谢物如脂肽、VOC和植物激素类似物影响根系构型和系统性抗性的 priming。代谢组学与转录组学联用已阐明代谢物谱与ISR相关基因之间的关联。
6 有益微生物类群在生物防治中的作用
有益微生物类群构成可持续农业生物防治方法的运作基础，通过抑制病原菌、刺激植物抗性和增强养分吸收能力减少对化学农药的依赖。
6.1 根际细菌（芽孢杆菌属、假单胞菌属、链霉菌属）
PGPR是研究最广泛和商业化程度最高的微生物生防菌剂。芽孢杆菌属以合成表面活性素、伊枯草菌素和丰原素等环状脂肽以及几丁质酶、蛋白酶和β-葡聚糖酶等胞外酶著称，抗性内生孢子和生物膜的形成增强了其持久性和病原菌排斥能力。假单胞菌属以产生吩嗪、吡咯菌素和2,4-DAPG等多样化抗微生物代谢物以及高亲和力铁载体闻名，其产生的VOC和群体感应干扰分子也参与抑制病原真菌、细菌和卵菌。链霉菌属产生大量抗生素和挥发性物质，具有酶降解能力并可触发植物防御机制。
6.2 真菌生防菌剂（木霉属、青霉属）
木霉属是研究最深入的真菌生防菌，通过识别病原菌菌丝、缠绕并释放几丁质酶和葡聚糖酶等细胞壁降解酶进行重寄生，同时合成多种抗真菌和抗细菌次生代谢物，并是植物系统性抗性的强诱导剂。青霉属虽研究较少，但已发现其通过拮抗作用和生态位置换对真菌和细菌具有生防潜力，某些菌株还参与磷 mobilization 和有机物降解。
6.3 内生微生物
内生细菌和真菌在植物组织内部定殖而不引起病害症状。内生菌占据根、茎和叶内部生态位，形成抵御病原菌入侵的屏障，同时产生抗真菌化合物。内生菌可触发ISR反应、影响激素通路并增强宿主对干旱、盐胁迫和极端温度等非生物胁迫的耐受性，还能合成植物激素和激素类似物促进生长。
6.4 菌根共生体
丛枝菌根真菌等菌根真菌与大多数陆生植物建立互惠关系，兼具营养和防护功能。AMF通过土壤中菌丝网络的扩展协助磷、微量元素和水分的吸收，增强植物活力并降低病原菌侵染的易感性。菌根还通过刺激植物免疫和激活ISR及SAR等防御反应系统参与生物防治，并可调控根际微生物区系以促进有益物种生长。
7 影响生物防治效率的环境与土壤因子
生防微生物的功效高度依赖于土壤理化特性、气候与非生物胁迫以及农业管理措施的综合作用。
7.1 土壤理化性质
土壤pH是影响微生物多样性和活性的关键因素，多数生防细菌和真菌在中性土壤中活性更高。土壤结构和质地控制氧气扩散、持水能力和孔隙度，影响微生物的呼吸、运动和定殖。细质地土壤通气不良会阻碍好氧生防微生物，粗质地土壤有机质和水分不足则不利于微生物持久存活。
7.1.1 土壤有机质
土壤有机质（soil organic matter, SOM）为微生物代谢活动提供碳源和能量，高浓度SOM促进微生物生物量、多样性和抗微生物物质及酶的产生。然而，高矿质氮含量导致的营养失衡可能促进快速生长的富养微生物，而这些微生物未必能抑制植物病原菌。
7.2 气候与非生物胁迫
温度影响微生物生长、酶反应和次生代谢物合成，热胁迫和冷胁迫均可抑制微生物活性。干旱和水分胁迫限制微生物存活所需的土壤水分、代谢产物运输和根-微生物互作。涝渍土壤造成缺氧/无氧条件，对好氧生防生物产生负面影响。
7.2.1 盐度、钠化度和重金属污染
盐度、钠化度和重金属污染对植物和微生物细胞造成严重的渗透和离子胁迫。耐盐和耐重金属的PGPR和真菌可通过促进养分获取和调节抗氧化防御通路减轻这些毒性影响。工程纳米颗粒等先进材料干预已被证明可有效缓解重金属植物毒性，与微生物应用相结合为可持续农业提供协同潜力。
7.3 农业管理措施
耕作频率影响土壤结构和微生物栖息地，高耕作强度破坏真菌菌丝网络，而少耕或保护性耕作增强微生物多样性、稳定性和土壤抑病能力。作物轮作和多样化改变根系分泌物生化组成，中断病原菌生命周期并促进抑制病原菌的微生物群落。过量无机肥料降低微生物丰富度，而堆肥等有机肥料增加拮抗作用。灌溉管理决定微生物存活和迁移所需的水分和氧气水平。广谱杀菌剂/杀细菌剂的多次使用可能通过非靶标效应抑制有益微生物，降低生防效率。
8 组学与人工智能在解码植物-微生物互作中的应用
高通量组学技术与人工智能和机器学习的结合已革新了对植物-微生物互作的科学理解。
8.1 宏基因组学、宏转录组学与宏基因组组装基因组
宏基因组学通过鸟枪法测序实现对整个微生物群落的免培养评估，提供分类学概况和功能基因谱系的深入见解。宏基因组组装基因组（metagenome-assembled genomes, MAGs）的重建对于将特定代谢能力与未培养的根际微生物群联系起来至关重要。宏转录组学揭示活跃基因表达，捕捉根系定殖和病原菌攻击期间微生物和宿主植物的时间转录动态。单细胞转录组学为植物-微生物互作和胁迫适应中的转录响应提供了前所未有的细胞分辨率见解。
8.2 先进蛋白质组学与成像代谢组学
蛋白质组学实现与微生物代谢过程、转运系统和宿主免疫调节相关的功能蛋白的检测和定量。基于质谱的成像代谢组学允许对有机酸、氨基酸、黄酮类、酚类和微生物次生代谢物等低分子量根系分泌物进行高分辨率空间定位，揭示特定代谢物谱如何塑造抑病根际并 priming ISR。
8.3 机器学习、深度学习与可解释人工智能
多组学数据的爆发推动了随机森林（Random Forests）、梯度提升机（Gradient Boosting Machines）、支持向量机（Support Vector Machines）和深度神经网络（Deep Neural Networks）等先进机器学习算法的应用，用于预测微生物功能性状、识别生防成功可靠生物标志物并预测菌株在不同环境中的表现。可解释人工智能（Explainable AI, xAI）框架的整合使模型输出可解读，有助于解码微生物群落特征与植物健康结果之间的复杂非线性关系，实现数据驱动的精准微生物组工程。
9 微生物生防菌剂的制剂与递送
生态智慧型生物防治的功效不仅取决于菌株选择，还取决于制剂方式和在植物-土壤界面的应用方式。
9.1 载体材料与包封
9.1.1 载体型制剂
常见固体载体材料包括滑石粉或粘土粉、泥炭、堆肥植物材料、褐煤或木炭材料以及农业废弃物。现代研究集中于工程化具有附加功能的载体，如含生物炭基质、生物聚合物共混物和纳米纤维素制剂，可改善水分含量、干旱或盐碱条件下的存活率以及根际定殖。
9.1.2 液体制剂
液体制剂易于计量、与施肥灌溉和滴灌系统兼容且便于大规模施用，但需严格控制pH、渗透压、氧含量和潜在污染，可使用甘油等溶质作为保护剂。
9.1.3 包封作为保护-释放策略
利用海藻酸盐和壳聚糖等生物聚合物进行的微米和纳米包封被视为提高包封细胞稳定性和功效的可行技术，包括海藻酸盐-壳聚糖珠状结构、含填充物质的微胶囊、喷雾或冷冻干燥包封物以及种子包衣载体。
9.1.4 种子包衣作为靶向递送平台
种子包衣使生防菌剂能够在最初的土壤-根接触区域存在，减少接种物损失并促进保护性微环境的建立。新型种子包衣方法涉及聚合物、薄膜和孢粉素胶囊，在不干扰萌发的情况下促进微生物存活。
9.2 货架期与稳定性
货架期损失由水分、氧化、温度和制剂问题导致，造成细胞或孢子完整性损伤。冻干和喷雾干燥是生产稳定生物制品的常用技术，但强烈依赖菌株类型且需要保护剂以避免脱水和复水过程对膜和蛋白质的损伤。除活细胞计数外，拮抗作用、酶形成和宿主防御诱导等功能性状也必须纳入考量，因为即使存在活细胞，功能能力也可能退化。
9.3 种子、土壤和叶面施用
种子接种经济且递送精准，有助于根系早期建立和土传病原菌控制，但微生物活力可能受干燥、温度变化和与种子处理剂不兼容等因素影响。土壤施用将生防菌剂直接置于病原菌侵染位点，颗粒制剂和载体有助于提高持久性。叶面施用应对地上部病害，但面临紫外线辐射、干燥、雨水冲刷和营养匮乏等问题，通常需在制剂中添加助剂以增强附着和分布。
