Annu. Rev. Genet：植物微生物组——系统性见解与展望

背景介绍

Muller, D. B., et al. (2016). “The Plant Microbiota: Systems-Level Insights and Perspectives.” Annu Rev Genet.

本文是在2015年末发表的Bai, et. al, Nature后，应Annu. Rev. Genet杂导邀请撰写本领域的年度评述。此杂志是典型的长综述，基本像一本小书，要比较全面系统的概述当前领域，对明确接下来的研究方向。本文由瑞士的Vorholt教授统筹，Muller、Vogel、白洋参与撰写和分析数据，全文共24页，引文159篇。据了解他们当时阅读了五百多篇相关文献，联系多文章的数据整合分析，耗时半年多才完成。

既然这么多牛人花半年时间才整理的东西，作为本领域的成员，我们怎么也得花半天仔细读完，才好意思开展接下来的工作。

我对文章中认为比较重要的部分进行翻译整理，帮助大家快速吸收精华，如读者发现有用信息，请务必阅读原文。

摘要

在自然中，植物生长环境中有各种微生物，并附着其表面和内部，这些微生物群体统称为植物微生物组。最近很多研究表明，植物微生物组在植物生长和抗病中起重要作用。除了紧锣密鼓的农作物研究，模式系统拟南芥在研究细菌群体形成、解析互作方面表现出应用价值。无菌系统，可以探究宿主与微生物组的基因型、表型间关系，以系统的方式研究生物、非生物胁迫等假设。本文主要强调近期微生物组群体的比较，以及组学数据的分析，并讨论这些方法在植物营养获取方面的研究。

基本概念

• 植物微生物组(Microbiota)：所有栖息在植物宿主的微生物，包括共生、互利共生、有害病原菌等。
• 内生菌：在植物器官内的微生物。
• 附生菌：栖息在植物表面的微生物。
• 合成群体：合理的设计并混合代表性的菌株。
• 下一代测序：就是指高通量测序，相对于Sanger测序法被称为下一代，其实就是现在的主流，主要包括Illumina, Pacbio等技术；
• 不依赖培养的分析：是微生物生态学的分子方法，不依赖于培养微生物可直接研究微生物群体的组成与结构。目前的扩增子、宏基因组都属于此类。
• 16S rRNA基因谱：采用扩增文库、变性递度凝效电泳(D/TGGE)、末端限制长度多态性(TRFLP)等分析方法，研究细菌多样性。
• 可操作分类单元：即OTU，16S/18S rDNA序列相似度在一定阈值以内的集合，通常为97%
• 根际：包围根的一层土壤，可受植物根改变其氧气和营养水平
• 根际效应：根际土的微生物组成与根际受明显差别；
• 无菌系统：宿主在无菌条件下生长，可以接种单菌，或混合多种菌；
• 叶际：植物的地上部分，主要是叶，还包括茎、花、果实
• 生态位：某一特定环境的位置，与物种或群体相关，包括生物、非生物和环境。
• 植物微生物组(Microbiome)：包括植物上栖息微生物的基因组和遗传信息
• 种子库(Seed bank)：微生物定殖于特定生活环境的生态资源
• 固氮细菌：可利用大气中氮为N源的微生物
• 诱导的系统抗性：植物通过有益微生物产生对有害微生物和食草生物的抗性
• 抑病土壤：可以减少作物病害发生的土壤
• 植物修复：植物参与环境污染的解毒作用过程。

植物微生物组模式图

图1. 图解植物暴露在各种环境因素下，植物微生物群体定殖于特定生态位。
(a) 植物的地上部分叫叶际，它主要成分是叶，是一种固定、开放、可变的、处于昼夜节律的生态环境。栖息环境暴露于紫外线、温度、水分和营养等的快速变化。植物的地下部分被土壤包裹，主要受其理化性质影响。植物的根可以刺入土壤，改变周围的氧含量、释放营养物质等，这一过程叫根际沉积。
(b) 叶片的横切面展示叶表和叶内(叶内细胞间)细菌的定殖情况。叶表皮的蜡质可以限制光合产物的外泄，同时导致叶表面是营养贫瘠的环境。表皮上的气孔、表皮毛、排水器等结构，改变表皮的基本形态和结构，引起微生物不均匀的定殖。
(c) 叶背面模型展示细菌分布样式，主要分布于表皮细胞间的沟、围绕气孔等。
(d) 根纵切面图示，展示微生物根表、根内的分布。
(e) 植物根的横切面图，根表与土壤和根际土相比，栖息大量不同的微生物群落。与叶类似，根的不同区域，如根尖、伸长区、细胞间沟槽、侧根基部也定殖不同密度的微生物群落。

植物微生物组组成

图2. 物种树展示植物微生物组主要的属。
图中只展示丰度大于0.1%的属，层级关系展示细菌分类学的门、纲、目、科、属，同时外圈的热图展示在不同植物各类、器官中各属的丰度分布。可以看到，不同物种、器官间存在大部分相同的属，只是丰度水平上的差异。

影响微生物组的因素

图3. 环境、土壤和植物介导的多因素影响宿主的微生物组。
叶片微生物组影响因素包括温度、紫外线、水、微生物定殖植物的生物地理、食草动物和传粉昆虫等环境因素。此外，植物的影响包括水和营养的释放、产生次级代谢物、微生物与植物初始免疫间的作用。植物的基因型也有影响，如表皮的组成、厚度等。根际微生物组主要起源于周围的土壤，因此土壤、生物地理和食草动物是主要的驱动者。根定殖主要由根际沉积引起根际土中群落的显著变化。最终，宿主-基因型-依赖的效应因子，植物免疫系统和微生物互作决定植物微生物组最终的群落结构。

总结要点

1. 健康植物微生物组包括多种多样的微生物群体，主要是细菌。植物地上和地下部分有明确的物种分类特征，主要包括变形菌门、放线菌门、拟杆菌门；以及少量的厚壁菌门。
2. 大多数根部栖息的细菌来自土壤。土壤、根际和根的细菌微生物群落结构差别明显，且根内微生物多样性最低。
3. 植物微生物组中大部分的细菌在实验室条件下可培养，接种于无菌植物可重现类似自然的群落结构；
4. 植物微生物组主要利用植物产生的碳源，并产生代谢物。植物相关细菌编码主要代谢根际沉积、低分子量碳源、植物细胞壁等基因。
5. 微生物组促进植物在各种环境下保持健康状态。系统了解其功能和作用机制，将在可持续农业中有巨大的应用潜力。

未来研究热点

1. 几个研究确定了不同宿主植物、器官中的核心微生物群体。而这些群体的功能更重要，值得深入研究。
2. 宏基因组学的方法，如蛋白组、转录组、代谢组，将进一步揭示微生物互作的关系和机制。
3. 标准化的宏基因组分析方法，为实现可重复实验和不同研究中比较至关重要。
4. 微生物组中菌种的筛选和培养资源库应更全面，代表更多分类多样性。
5. 增加菌种资源库的多样性，如农作物的微生物资源，将获得更合理的人工重组群落，用于研究可获得更可信的结论。同时全基因组的测序有助于完善参考数据库，改进数据分析的结果。
6. 植物免疫与微生物组间的需要更系统的层面研究。目前，免疫系统识别菌群的机制、如何区分致病和非致病菌、如何形成微生物组等问题仍然没有答案。

Reference

1. 原文链接 http://www.annualreviews.org/doi/full/10.1146/annurev-genet-120215-034952
2. 白洋组主页 http://bailab.genetics.ac.cn/publication.html

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