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植物微生物的江湖

一、植物微生物江湖身世

1、何為植物微生物

在植物的生長環境中,存在著一類看不見摸不著又有著強大功能的隱形生物——微生物,其中植物微生物又是目前研究的新的微生物群體的一種,它們廣泛存在于植物體和根際土壤周邊,對植物的生長起到重要影響。

微生物定殖在植物上是生物進化的結果,微生物通過競爭和協同作用在植物體上進行定殖,形成相對穩定的植物微生物群落。根據植物宿主不同部位、環境因素和植物宿主基因型決定了細菌和真菌的群落組成。

植物不同部位(根際、根內部、葉際以及根區土壤)的微生物群落之間存在明顯差異,說明植物不同部位是決定植物相關微生物群組成的主要決定因素,但來源都源自土壤。

2、植物微生物的核心與紐帶

植物核心菌群是指在與特定宿主相關的幾乎所有群落中都持久存在的微生物菌群。核心菌群所攜帶的基因提供了植物宿主適應性所必需的功能,并通過產生生長調節激素、促進營養物質移動以及保護植物免受外界脅迫而對植物的生長產生有益影響。

二、植物微生物行在江湖

1、擴散與定殖之路

植物微生物群體傳播是一個連續的、多步驟的過程,由主動擴散、物種相互作用、環境和宿主共同決定。早期定殖的微生物可以通過親本種子傳播途徑垂直傳播,其中土壤來源的微生物則主要與植物根部結合,其中核心微生物更是如此。

根際微生物的生命活動在植物—土壤—微生物間的復雜關系中發揮了重要作用。土壤的生物化學活性及土壤養分的組成與轉化受到根際微生物種類、數量的直接影響。不同季節,根際土壤微生物的數量分布有差異,不同地域的土壤微生物季節變化存在顯著差異,不同的微生物類群也有不同的季節變化規律。而且各種微生物群居在根際的微域環境中,它們之間彼此影響,形成各種關系,既有協同聯合、互惠互利又有競爭制約、互相排斥。

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1  根際與根際微生物類型

通過植物的分泌物(例如植物分泌物中存在的有機酸和/或糖,精氨酸和腐胺等多胺)作為信號誘導微生物開始向植物移動,隨后附著在根際表面并生產生物膜,開始生長。菌根真菌還會在宿主根際形成菌絲網,在充當根系吸收養分的同時也能保護作物避免病原菌的侵入。

植物根系為相關微生物提供了穩定的營養代謝物,促進了它們的生長。同時不同的菌類可以通過相互之間提供化學物質促進共生。例如宿主作物為菌根真菌提供生長必須的糖類等基本物質形成菌絲;形成菌絲后,可以穿透根系細胞,為宿主提供水和養分以換取碳,改善作物碳營養,促進光合作用,增加植物生長量;枯草芽孢桿菌可以分泌硫胺素,硫胺素可以促進植物有益的內生真菌的生長。

鐵載體土壤中的鐵元素循環、病原體競爭、植物生長等作用明顯。多個微生物菌群都含有鐵載體基因簇,在植物根部定殖具有選擇優勢。

2、躲避免疫之路

植物微生物菌群必須能夠識別和應對植物的免疫系統,部分微生物可以分泌出和植物相似的效應蛋白,這些模仿植物的蛋白可以“欺騙”植物的免疫系統,避免免疫系統的攻擊。部分微生物中有很多和植物根系相近的基因結構,這就是植物共生微生物使用的“偽裝方法”。

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2  表明菌根類型(圓圈)對植物種群和群落水平過程(正方形)的影響如何不同。藍線,正影響;紅線,負影響;綠線,菌根類型之間植物類群的重疊;粉紅線,菌根類型之間的真菌類群重疊。線寬表示相對關聯強度。

微生物菌群之間也會發生協同或競爭作用。許多微生物菌群能分泌抗生素,進而調節植物宿主內其他微生物群的分布,豐度和多樣性。這種群體效應是微生物菌群間的交流機制,例如高絲氨酸內酯(HSL)的產生和感應就是一種交流信號。不同的菌群可以生成相同類型的信號分子,從而可以與其他無關的細菌類群進行協作或滅殺。植物也可以通過對HSL的識別來調控植物的代謝、免疫調節和根系發育。

三、植物微生物江湖論劍

1、促進營養吸收之劍

植物微生物組在促進植物營養吸收方面具有重要的作用,即可以促進植物對營養的吸收也可以促進對營養的儲存。迄今為止,叢枝狀內生菌根菌促進植物營養的吸收機制已經被深入研究,其他微生物的促進植物營養吸收的功能也在不斷研究中,而混合菌群促進植物營養吸收的研究也在深入進行中。

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3  內生菌根真菌有益作用

菌根真菌(促進氮的吸收,但獲得有機氮的能力有限)與土壤微生物群落(將有機氮礦化成生物可利用的形式)所構成的復合菌群,與非微生物對照相比會使得共生菌群對氮的吸收增加十倍以上。根際微生物延長了氮的生物利用性,其中主要是通過將氮素轉化為植物激素吲哚乙酸(IAA)來促進植物生長。

植物微生物群落通過溶解、礦化或分泌鐵載體等方式能夠將無機磷和鐵等植物不易獲得的營養物質進行轉化。在環境中無機磷含量較低的條件下,植物通過與叢枝菌根真菌及其共生內生菌協作來滿足其必需的營養吸收。在缺磷條件下,不同復雜度的復合菌群會提高植物與磷饑餓響應有關基因的表達,從而促進植物對無機磷的吸收。

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4 電子顯微鏡下,菌根真菌(亮灰色)穿透根細胞提供水和養分以換取碳;占據位點避免病原菌侵入

2、促進抗病性之劍

植物根系分泌物促進、富集和支撐土壤微生物,不同細菌會產生抗真菌的代謝物和揮發物作為防御土傳病害的第一道防線。如果病原體突破了根際介導的第一道防線,內生微生物組可以產生抗病原真菌酶和次生代謝產物來對植物提供額外的保護層。此外,諸如輪作、殘茬覆蓋和施用堆肥等管理措施可以通過影響由碳吸收為主的微生物組誘導一般或特定的抑病作用。棲居于植物根際的植物生長促進細菌和真菌能夠激發植物系統抗性,例如微生物調節了苯丙烷的代謝,促進植物細胞壁的生長,調節茉莉酸的代謝,抵抗了昆蟲的食草性,也增加了香豆素和苯并惡嗪類化合物等抗菌化合物的分泌。

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5  根際免疫構成、互作機制及驅動因素 

3、促進抗逆性之劍

與植物相關的微生物可以通過至少三種非互斥的途徑改變植物對環境脅迫的進化響應:改變個體植物基因型的適應性、與適應性有關的植物性狀的表達以及環境脅迫下對影響植物適應性的微生物進行一定強度或方向的自然選擇。脅迫條件下,植物可以促進低于脅迫的微生物組進行生長,通過對植物的生理功能、營養吸收、脫落酸乙烯等激素合成,進行抗性調節。

四、植物微生物的江湖地位

    基于人們對于微生物在土壤生態系統中發揮的關鍵作用缺乏足夠認識以及根際微生物生物多樣性和功能受土壤植物以及其他眾多復雜因素綜合影響的現實。近年來根際微生物在土壤微生態系統中的功能及其相互作用、相互影響等方面的研究尚屬薄弱環節。

在植物微生物菌群中,叢枝狀內生菌根相對于其他微生物在植物生長中有其獨特的優勢和特點,然而在土壤中自然存在內生菌根真菌的自然豐度較低,限制了內生菌根真菌在植物生長中所起到的作用,因此通過外施內生菌根真菌微生物肥料,人為增加土壤中內生菌根真菌的豐度,可有效提升土壤微生物有益菌群,提高作物的產量和質量,是一條切實可行的的微生物應用途徑。在實際應用中,菌根真菌對作物及土壤的積極作用主要包含以下幾個方面:

1)對于植物生理性狀的影響,內生菌根真菌能夠促進植物對N、P、K及一些微量元素的吸收和利用,改善植物的營養狀況,顯著提高植物的生物量及品質。

2)對于植株提高抗脅迫能力的影響,內生菌根真菌可以促進植物對營養元素和水分的吸收利用,提高植物的抗旱性、抗病性及抗重金屬污染等脅迫的能力。

3)菌根真菌在生態修復和穩定中也起到了重要的作用,菌根真菌的根外菌絲可通過特殊途徑將環境中的有機污染物降解為自身可吸收利用的簡單化合物及糖類物質等。

4)菌根真菌還可吸附和固定重金屬,加速礦區的復墾速度;在自然生態系統中,菌根真菌可通過促進植物的生長來維持生態環境中物種資源的穩定。

菌根菌技術是由南京翠京元生物科技有限公司從美國引進的先進微生物技術,菌根真菌能夠提高植物抗逆性,增強鹽脅迫下植物的生長、改變根系形態、提高光合作用和礦質元素的吸收、增強抗氧化作用,從而緩解鹽脅迫對植物的傷害,有利于植物在逆境土壤環境生長。因此,菌根菌在鹽堿土壤改良與修復中應用前景廣闊。菌根真菌在作物栽培與生產上生產優勢較明顯,后期能夠根據植物和生產環境的不同條件,生產不同菌種組成的混合菌群是未來新型微生物肥料的一個必然的發展趨勢與發展方向。南京翠京元也將對菌根菌技術進行不斷創新,不斷優化產品,致力于讓菌根菌技術真正造利于田、造福于民。

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