综述速递 | 从分子水平深入了解植物与微生物的相互作用，以实现环境污染的可持续修复

发稿时间：2022-01-11来源：天昊生物

英文题目：Molecular insights into plant–microbe interactions for sustainable remediation of contaminated environment

期刊名： Bioresource Technology

发表时间：2022年1月

影响因子：9.642（JCR分区：Q1）

植物修复技术（Phytoremediation）被证明是一种有效的治理环境污染的方法，而植物-微生物相互作用在应对污染物解毒过程中起着关键作用。植物根际微生物群受次级代谢物释放的影响，它可以刺激根际微生物的生长。据报道，几种次生代谢物，特别是植物中的挥发性有机化合物，会在地下积累，以诱导有益微生物的生长，在植物根际范围创造独特的环境。例如，植物根释放的黄酮类化合物在促进植物-丛枝菌根群落的孢子萌发、菌丝生长和根定殖方面发挥着重要作用。类黄酮还被认为是一种化学诱导剂，可以促进宿主特异性根瘤菌的生长。丛枝菌根真菌通过降低根际毒性促进植物生长和养分吸收。真菌、促生细菌和根瘤菌等大型微生物群落可以释放各种挥发性有机化合物，有助于促进植物生长，这对成功的植物修复至关重要。尽管植物修复提供了很大的希望，但它还尚未形成可行的处理系统，因为其对有机污染物的去除效率因其浓度和类型而异，并且植物的生存能力因季节和种植介质的类型而异。植物修复系统的性能可以通过使用共处理微生物接种和养分循环供应来提高。植物修复促进剂，如解磷细菌、生长激素和渗透促进剂，可用于提高污染物的积累速度。对这些植物修复促进剂种类及其最佳掺入比例研究，可能会增加植物修复的潜力。新兴污染物(Emerging contaminants，ECs)对环境保护构成了重大挑战，因为这些ECs对目标和非目标生物具有生态毒理影响。在最近的一项研究中，大型植物，如黄菖蒲和附生生物膜群落，为新兴污染物的降解提供了更大的根表面积。植物微藻群落也报告了对新兴污染物的强化去除作用。

超富集植物和某些真菌的结合有助于水中持久性污染物的处理。下一代测序(NGS)和液相色谱-质谱(LC-MS)的应用在理解植物修复过程中的植物微生物相互作用方面发挥了重要作用。元组学工具中下一代测序技术的进步提高了生物科学研究的进展速度。除了能够对微生物群落进行分析，基因组技术还保留了形成这些生物的非生物和生物胁迫因素的图谱。这些组学方法可用于监测植物根际微生物组的快速变化。

在这篇广泛的综述中，对元组学技术进行了深入的分析，以便更好理解植物和微生物之间各种代谢相互作用的相互联系。此外，还讨论了与植物微生物研究如何揭示植物、其微生物及其环境之间的遗传、生化、物理和代谢相互作用有关的综合信息。此外，深入探讨了最近用于改善有机和无机污染物植物修复的组学工具。

1.1、植物-微生物合作解决环境污染

通过利用植物和促进生长的根际生物之间的协同作用，可以加速污染物的修复和环境清理。植物根部的伴生生物使其宿主能够吸收养分，增强其对植物病原体和害虫的抵抗力，并通过产生植物激素来帮助调节植物生长。此前有报道称，根分泌物促进根际相互作用，如植物和微生物之间以及微生物和微生物之间的相互作用。积极的植物-微生物相互作用包括植物和植物促生根细菌(PGPR)、菌根真菌和附生植物之间的协同作用。这些微生物为植物提供了许多有益的效果，例如抑制疾病、增加营养物质的可获得性和吸收、增强对非生物和生物胁迫的免疫力，从而提高植物的生产力。反过来，植物通过根分泌物向根际微生物提供养分、底物和信号分子，从而增加根际微生物种群和活性。根际微生物负荷的增加有助于根际有机污染物的生物降解，这就是所谓的根际效应。微生物高效降解不同结构和性质的各种污染物，有效增强植物修复的全过程。

1.2、微生物辅助植物修复环境污染

根际降解揭示了植物-微生物复合体在修复污染水方面的重要性。根际相关细菌和内生细菌可以在不引发感染的情况下，栖息于宿主植物内部，在各种污染物的绿色修复中发挥着重要作用。植物和微生物已经建立了几种处理有机和无机污染物的方法。根系渗出是植物修复过程中的一个重要现象，因为它们在根际区域的养分动员中起着至关重要的作用，并有助于植物的养分获取策略。根分泌物是植物产生的主要和次要化合物，含有挥发性、水溶性和不溶性酚类化合物、糖、有机酸、氨基酸、类黄酮、某些酶和核苷酸。有机化合物通过生物过程消除，如生物吸附、生物累积和生物降解。在幼根发育过程中，有机污染物和水进入没有角质层的根毛细胞。植物可以通过几种方式吸收有机污染物，包括在灌溉过程中通过根组织转移、扩散或离子部分吸收，以及通过挥发化合物的沉积。

木糖氧化无色杆菌菌株F3B有助于湿地植物芦苇和水蕹菜耐受芳香化合物的胁迫，并改善酚类污染物的植物降解。PGPRs如巨大芽孢杆菌、孟氏假单胞菌、嗜铬固氮菌和根内噬菌已被成功用作蚯蚓粪便生物接种剂，通过促进香根草(即香根草)的生长来回收受盐影响的根际微生物。生物接种剂处理的植物表现出根际有机碳与植物生物量生产、磷、氮之间的正相关关系，根际养分含量得到提高。

偶氮螺菌是一种突出的植物生长促进剂，也是植物-微生物相互作用的常见模式，对多重机制假说有很大贡献。已知在固氮螺菌与植物的相互作用中存在几种机制，包括产生植物调节酶、几种植物激素、固氮、增强膜活性、溶解磷酸盐、产生密集的根系、增强水和矿物质吸收、缓解环境压力以及控制可能对宿主植物有益的病原体。底栖蓝细菌微球菌有助于盐水的生物修复和再生，因为它以多糖的形式产生胞外生物絮凝剂。粘土颗粒的絮凝和进一步沉降将盐水的酸碱度从3提高到10.5，这是一种通过让光线穿过沉积物-水界面来恢复高盐条件的方法。鞘氨醇通过几种机制生物转化重金属，包括酶解毒、细菌铁载体、生物吸附和主动外排转运。

2.1、使用“组学”方法研究植物-微生物相互作用的概述

植物-微生物的相互作用对根际生物化学循环具有非常重要的作用。植物为细菌、病毒、真菌和线虫等微生物的生长提供了一系列生态位，统称为植物微生物群。这种微生物群可能与宿主植物建立复杂的关系，从而有助于提高植物在自然环境中的生存优势。

在有植物存在的植物修复过程中，来自水、根际和空气的有害污染物(无机和有机)的减少得到加强。然而，对植物增强这些去除过程的机制并不完全清楚。研究表明，具有代谢活性和污染物降解途径的细菌可以通过代谢有害污染物来提高植物对有害污染物的耐受性。在各种工业环境中，研究植物-细菌相互作用以利用能够恢复污染环境的细菌是一个不断扩展的领域，其中通过将不同的细菌培养物应用于植物可以提高生物量生产。尽管植物-细菌合作关系已被广泛研究，但大多数研究都集中在固氮或植物-病原体相互作用上。最近，许多研究表明，接种细菌群落在不同植物中的有效定殖显著提高了植物修复效率。在普通污水处理厂(CETP)的整个生物处理过程中，一个微生物群落参与了有机工业废物的氧化代谢，而在CETP期间建立的细菌种群对于工厂的有序运行至关重要。这些植物通常是暴露的结构，生物处理依赖于大量的细菌物种和原生动物，它们一起生长形成一个群落，最终将污染的废物转化为生物质、二氧化碳、氨和某些毒性较低的新化合物。
事实上，传统的大多数关于植物-微生物相互作用的研究都只考虑次要信息，包括农业病原体和营养共生体。然而，在过去的二十年里，创新的测序技术揭示了不同的微生物群存在于大多数非无菌植物中。先前的研究集中于使用分子技术来识别重要的细菌物种，尽管理解这些细菌群落的累积功能能力具有挑战性。此外，即使随着分子技术的出现，也没有研究能够将遗传序列与微生物功能和有效的处理联系起来。然而，在群落水平上调查底物利用分析的研究有助于阐明整个微生物群落对污染物绝对降解的贡献。微生物群落的功能多样性可以定义为它们在数量、形式、活性和基质利用率方面对水、堆肥、废水系统和几种污染环境中存在的不同污染物的数量。2005年，下一代测序(NGS)技术被引入科学领域，这随后增加了研究人员对微生物、植物和微生物-植物相互作用的理解。这些NGS技术显著影响了测序和基于DNA和RNA的分析技术，这有助于回答之前无法确定的未解决问题，主要是由于资金和技术限制。微生物群代表与各种不同环境相关的微生物群落。因此，目前对植物-微生物相互作用的理解比以往任何时候都更加迅速和深刻。
近年来，通过高通量测序技术已经观察到一系列微生物，这些微生物众所周知存在于植物和邻近环境的地上部分和内部。植物和微生物组之间有一个重要的联系，可以通过高通量分子方法结合组学数据集来揭示(图2)。因此，由于组学技术的进步，宿主和植物与特定病原或有益微生物相互作用的研究可能会扩大。

2.2、根际和内生菌的宏基因组分析

新技术的应用帮助科学家区分了环境中不同微生物种群的细菌多样性。微生物学中有几种分子方法，包括PCR、RNA测序和克隆、RFLP、荧光原位杂交和变性梯度凝胶电泳。16S rRNA基因被用作研究微生物多样性的标记，因为该基因在微生物群落长时间的进化过程中一直较为保守。因此，这项技术有助于研究细菌种群和古细菌，以揭示微生物的分类分布和进化。生物学家已经建立了几种表征和鉴定细菌培养物的方法。扩增子基因测序是使用16S rDNA分析细菌多样性的方法之一。宏基因组技术可以发现微生物群落基因水平的改变。尽管这些技术可以发现微生物群落发生的遗传变化，但其也面临一些挑战，包括采样异质性、规模连接性、适当的选址和保持根际特征。此外，植物生长的微小变化会影响营养浓度不平衡或干旱等变化，这些会对微生物群落造成结构和功能变化。宏基因组检测流程包括环境DNA分离和文库构建和筛选，然后是分离的宏基因组DNA测序和分析，提取关于环境样品特征的解释性数据，来对特定环境中微生物进行表征分析。

由454和MiSeq平台组成的NGS技术有助于识别多方面的微生物网络，以及微生物群落与其相应生态位功能之间的关系。因此，这项技术有可能彻底改变环境微生物学。宏基因组学考虑对包含未知生命形式组合的环境模型进行序列分析；通常，许多不能培养或不可培养。一些研究人员发现根际含有大约4 × 10⁶个改变的微生物分类群，而一些研究人员指出，1 g根际样品中存在100多万种不同的微生物。根际中观察到的微生物差异和数量是巨大的，但是缺乏关于它们多样性的详细数据。许多研究人员估计，超过99%的根际细菌物种对植物有益。植物依赖的环境的如根际、叶际或内生菌，可以通过特定基因的扩增子靶向或鸟枪法测序进行宏基因组分析，这有助于探测植物相关的微生物群落(表1)。