根际微生物群落功能与调控的研究进展.pdf
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1、大家专版喻其林男教授微生物学博士任职于南开大学生命科学学院博士生导师中组部“万人计划”青年拔尖人才天津市 创新型人才天津市微生物学会理事从事微生物学、合成生物学、材料化学的交叉研究致力于微生物群落结构与功能解析、新型合成微生物组的设计与应用 博士毕业于南开大学生命科学学院微生物学系曾在南开大学环境科学与工程学院从事博士后研究先后赴美国加州大学洛杉矶分校、中国科学技术大学开展访学研究 主编国家本科教材 部参编本科教材 部主讲微生物学、真菌学、生物技术综合实验等本科课程 近年来以第一或通讯作者发表论文 余篇包括:、等一区论文 余篇申请国家发明专利 余项(已授权 项)主持国家级与省部级项目 余项获天
2、津市科技进步二等奖、中国产学研合作促进会创新成果奖 担任 、等杂志编委基金项目:国家自然科学基金项目()天津市自然科学基金项目()中央高校基本科研业务费()作者简介:喻其林 男教授博士博士生导师 从事微生物学、合成生物学、材料化学的交叉研究:.通讯作者收稿日期:根际微生物群落功能与调控的研究进展喻其林 赵梓润 刘 琳(南开大学生命科学学院 分子微生物学与技术教育部重点实验室天津)摘 要 根际微生物群落是随植物长期进化及地球生境变迁而形成的动态微生物系统 随着多组学技术的不断发展人们对根际微生物群落结构与功能的研究日益深入 根际微生物群落中的功能微生物类群如植物促生细菌、植物促生真菌等通过与植物
3、建立紧密的物质、能量与信息联系参与植物激素合成、难溶营养物解离、生物固氮、微生物拮抗、生长因子供应等系列生物学过程从而提高植物营养物质吸收与抗逆能力为植物的健康和高效生长提供重要保障 这些微生物中的某些成员已被开发成微生物刺激剂广泛应用于作物增产抗逆与农田地力提升 近年来多学科的交叉融合为根际微生物群落结构功能调控策略的交互式研究提供新的机遇推动了基于合成生物学与材料科学技术的合成微生物组的发展 尤其是在核心微生物互作方面人工蛋白创制、磁性组装、生物炭强化等策略能够增强核心微生物与目标植物之间的物理连接作用大幅提高合成微生物组的工作效率和稳定性从而有效驱动作物增产增收提高污染修复效率 因此根际
4、微生物群落结构、功能与调控的深入研究必将为绿色农业发展提供不竭动力关键词 根际微生物群落微生物刺激剂植物促生细菌合成生物技术合成微生物组中图分类号 文献标识码 文章编号 ():./.().微生物学杂志 年 月第 卷 第 期 .植物根际是位于植物根表面与植物非根际土壤之间的狭小区域 该区域是根际土壤、植物与根际微生物群落发生紧密相互作用的场所已成为自然界的一类极为特殊的生态系统 根际土壤作为植物与根际微生物相互作用的中介体不仅为植物与根际微生物提供物理支撑场所而且供应水分、氧气、有机质、无机离子等系列营养 植物通过光合作用、有机物质转运与分泌为根际微生物和土壤提供物质转化及平衡的能量与原料同时通
5、过分泌植物信息素调控根际微生物群落的动态组装 根际微生物群落通过复杂多样的代谢与互作过程参与土壤无机营养解离、生物固氮、微生物拮抗、生长因子供应等系列过程从而提高植物营养物质吸收与抗逆能力为植物的健康与高效生长提供重要保障 近年来多组学技术的迅猛发展以及多学科的交叉融合极大推动根际微生物群落结构功能调控策略的交互式研究为绿色农业发展和环境保护提供新的思路 根际微生物群落的结构鉴于根际微生物群落的极其重要性其结构与功能一直是微生物学家、植物学家、生态学家及农业领域专家的研究热点 随着多组学技术的不断发展人们对野生植物与农作物根际微生物群落结构的认识日益深入.野生植物根际微生物群落结构野生植物的根
6、际环境较少受到人为因素的影响因而其根际微生物群落更能反映根际微生物群落的天然状态 等采用 测序分析方法对菊目的艾蒿()、藿香蓟()、一年蓬()、金盏银盘()以及金虎尾目的飞扬草()、犁头草()等进行根际细菌群落研究发现上述野生植物的根际微生物群落中存在变形杆菌门()的根瘤 菌 目()、鞘 单 胞 菌 目()、伯克霍尔德菌目()、黄单胞菌目()以及拟杆菌门()的鞘氨醇杆菌目()等核心微生物类群 本课题组长期关注野生豆科植物与苔藓植物的根际微生物群落结构 在野生豆科植物方面本课题组通过 及 测序分析对华北地区两型豆()、多花胡枝子()、二色胡枝子()、豆茶决明()、长萼鸡眼草()等多种野生豆科植物
7、的根际微生物群落结构进行解析发现上述植物根际土壤样品中存在共有的伯克霍尔德菌目、根瘤菌目、鞘单胞菌目、噬几丁质菌目()、芽单胞 微 生 物 学 杂 志 卷菌目()、酸杆菌目()等优势细菌类群以及伞菌目()、被孢霉目()、格孢腔菌目()、肉座菌目()、粪壳菌目()、鸡油菌目()等优势真菌类群通过对采自我国东北、华北、华东、华中等地区的青藓()、小石藓()、白叶藓()、柳叶藓()、白发藓()、扭柄藓()、曲柄藓()、长灰藓()等苔藓植物根际土壤进行长期研究本课题组发现其中广泛存在伯克霍尔德菌目、鞘单胞菌目、酸杆菌目、根瘤菌目等优势细菌类群以及被孢霉目、肉座菌目、刺盾炱目()等优势真菌类群.农作物根
8、际微生物群落结构长期以来研究者们对重要农作物根际微生物群落组成进行广泛研究 例如通过对葡萄()、甘蔗()、龙舌兰()等作物的根际细菌与真菌多样性分析发现其中存在的主要细菌为变形杆菌门、放线菌门()、酸杆菌门()、拟杆菌门等类群主要真菌为子囊菌门()及担子菌门()等类群并且根际微生物群落组成多样性远高于根内生菌及叶内生菌中微生物组成多样性本课题组通过对采自我国多个地区生长期大豆的根际微生物群落进行宏基因组学与代谢组学分析发现该作物微生物群落中存在、鞘单胞菌()等优势细菌类群以及、等优势真菌类群 这些微生物与植物生长代谢、盐碱土壤耐受性之间存在紧密联系 上述发现为盐碱土壤豆科作物种植与增产增效提供
9、重要参考 根际微生物群落的功能随着根际微生物群落组成成分研究的日益深入人们对根际微生物群落功能的认识不断提高极大推动了微生物刺激剂()的理论与应用研究 是从植物根际土壤、组织等样品中分离出来的微生物与植物直接相互作用建立相互的共生关系或通过提高植物的营养利用率间接建立共生关系从而促进植物生长代谢 研究表明 主要包括植物生长促进细菌()、植物促生真菌()两类(图)随着对上述两类 功能的深入研究它们在农业生产、土壤改良、环境污染治理等领域得到推广应用图 根际微生物群落对植物生长与抗逆的调控机制.的种类与功能 是能够促进植物生长的功能细菌 目前已知的 大多来源于特定植物的根际主要包括芽胞杆菌()、根
10、瘤杆菌(期 喻其林等:根际微生物群落功能与调控的研究进 )、节杆菌()、固氮螺旋菌()、不动杆菌()、中华根瘤菌()、慢生根瘤菌()、黄杆菌()、肠杆菌()、醋酸杆菌()、假单胞菌()、红球菌()、链霉菌()等原核微生物 促进植物生长的机制主要包括:产生植物激素 大量 可通过产生植物激素的方式促进作物生长 植物激素是调节植物生长发育的关键激素 例如某些 可以产生吲哚乙酸()等生长素这些物质可调控激素合成、组织防御和细胞壁合成相关基因的转录诱导根系伸长增加根系生物量同时降低气孔大小和密度促进植物生长 促进难溶营养物质解离 可通过促进难溶性营养物质(如磷酸钙、含钾矿物)解离、分泌铁载体等方式为植物
11、提供可溶性磷、钾、铁等无机营养促进植物生长 例如假单胞菌可产生铁载体螯合铁并使其溶解以增加作物对铁的吸收 生物固氮 生物固氮一直是备受研究者们关注的议题 传统的生物固氮研究主要集中在豆科作物根瘤中的共生固氮作用 该过程由根瘤杆菌、中华根瘤菌等细菌与豆科作物根系相互诱导形成根瘤进而在根瘤中以铁蛋白、钼铁蛋白依赖的方式进行厌氧固氮 近年来随着根际微生物群落结构与功能解析研究的不断深入大量非根瘤菌类型的自生固氮菌被发现如固氮螺菌、假单胞菌、伯克霍尔德菌等 本课题组通过对野生豆科植物以及农田豆科作物根际微生物群落研究分离到一系列新型的自生固氮细菌如鞘脂菌、新鞘脂菌()、黏液杆菌()、杜檊氏菌()等 这
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