标题：Engineering plant microbiomes by integrating eco-evolutionary principles into current strategies
单位：英属哥伦比亚大学微生物与免疫学系
日期：2022年11月25日
作者：Cara H. Haney
摘要
工程植物微生物组有可能以快速和可持续的方式改善植物健康。快速变化的气候和相对较长的植物育种时间使微生物组工程成为改善粮食安全的一种有吸引力的方法。然而，在实验室中显示出前景的方法并没有在实践中大规模实施。我们建议将分子机制和遗传知识与生态学和进化理论相结合，有助于解决植物微生物组工程中的问题和实践转化。强调从微生物群落生态学出发，全面了解微生物组工程的功效和后果。植物-微生物进化可以促进设计能够招募特定微生物群落的植物，微生物组工程中应考虑植物-微生物组相互作用的权衡。内容包括经典和新兴的方法，从微生物接种剂到植物育种，再到宿主驱动的微生物组工程，并从多学科方法中受益。
关键词
Genome-wide association studies；SynComs；Rhizosphere；Phyllosphere；Legacy effects；Soil amendments
全基因组关联分析；合成菌群；根际；叶际；遗留效应；土壤改良剂
介绍
由于人口和工业增长，预计未来几十年对食品、纤维和生物燃料的需求将大幅增长。作物产量需要翻一番才能满足预计需求，必须应对气候变化、生物多样性丧失和荒漠化等当代挑战。以过度使用杀虫剂和化肥为特征的传统农业无法满足当前对粮食安全和可持续性的需求。因此，需要开发和实施更可持续、有效和安全的农业生产系统。
⭐⭐⭐植物生物群落（包括相关的微生物）提供了可持续的解决方案，以提高作物生产力，而不会破坏生态系统服务（如营养循环和昆虫多样性的维持），并将环境风险降至最低（如水系统的富营养化和化学物质渗入环境）。受微生物群影响的植物健康方面包括生长速率和产量、非生物胁迫耐受性以及害虫和病原体抗性。微生物的有益作用可以直接作用于宿主，例如通过调节植物免疫力，也可以间接作用于宿主。此外，微生物群可能影响多种营养水平，例如通过影响植物与病原体或食草动物的相互作用。因此，通过操控微生物组提高作物产量的潜力是巨大的。
植物微生物组工程可以通过多种方法实现，包括但不限于：微生物接种、土壤改良或移植和植物育种。尽管每种方法在受控条件下都取得了一定的成功，但将效果转化到实践带来了各种挑战：
1）微生物-微生物相互作用结果在空间、时间和植物宿主之间的可变性；
2）对植物中控制微生物补充的潜在遗传机制缺乏了解；
一言问：生防菌株（Bacillus）添加如何操纵和影响微生物组和宿主？
回答：
3）由于微生物组的改变而导致的意外的植物适应性权衡或脱靶效应。
一言问：这里的脱靶效应是什么意思？
回答：是指生物防治微生物对非靶标生物的意外影响（图1C）
由于有益微生物通过依赖于植物宿主和生态因子的复杂网络的多种机制发挥作用，应用生态进化原理帮助解释生物和非生物相互作用（生态学）如何塑造植物及其共生体特征的轨迹和适应（进化），将提高我们对如何设计这些相互作用以实现特定目标的理解。因此，对植物微生物组的细致入微的视角对于该领域的植物微生物组工程至关重要。
作者回顾了植物生物群落工程的体内和原位研究（主要集中在根际细菌群落，也讨论了对叶层和真菌群落的关键研究），概念可以外推到不同类型的微生物群落或不同的植物生物群落中，因为生态进化原理通常是广泛的，并且超越了研究系统。作者讨论了（图1）：
1）工程微生物群的微生物生态学；
2）植物介导的微生物招募和组装中的植物-微生物进化史；
3）微生物组操纵可能导致的进化权衡或脱靶效应。
作者认为，将对遗传和分子机制的理解与生态进化理论相结合，以设计和全面预测对农业生态系统的影响，对于将实验室研究扩展到农业微生物组工程的实用策略至关重要。
图1 整合分子和Eco-Evo策略的植物微生物组工程
（a）通过添加微生物接种剂或土壤改良剂进行微生物组工程必须包括各种生态考虑因素。了解接种剂将如何与现有群落竞争，以及土壤改良剂如何改变微生物之间的相互作用，对于这些方法的成功至关重要。新兴的方法包括理性的SynCom设计或土壤改良剂和特定的农业实践来改变居民群落。
（b）植物宿主和宿主渗出物有助于塑造当地的土壤微生物群落。了解植物基因型对有益微生物群落的招募的作用和影响，或者植物驱动的遗留效应对植物招募保护性微生物抵御压力源的影响，可以促进微生物组工程。将植物微生物共进化作为微生物组装配驱动因素的方法对于开发有效的植物驱动工程方法是必不可少的。
（c）在考虑微生物对植物健康的有益作用时，通常会孤立地考虑，而不考虑潜在的植物适应度权衡，或对非靶标生物的意外影响。生物防治微生物也可能影响植物与有益生物的相互作用。同样，不同的害虫和病原体可以对植物产生自下而上的影响，进而影响植物的生长、防御和抗虫性。
总结
植物微生物组工程中微生物群间的生态相互作用
特定的有益微生物群可以促进植物生长，对抗病原体，或促进其他植物有益微生物的成功定殖。为了提供这些好处，微生物必须能够与其他常驻微生物群竞争并耐受土壤化学（图2）。然而，预测任何特定引入或富集的微生物的成功都是具有挑战性的。
图2 影响微生物组工程成功的微生物之间生态相互作用的例子
在这里，作者展示了（非全面的）经验观察到的可能发生在植物微生物组中的相互作用，这些相互作用可能导致了微生物组工程的困难。微生物接种剂成员之间的相互作用可以是积极的（蓝色）或消极的（红色），而成对相互作用往往不能预测群落水平的结果。微生物接种剂还面临多种定殖障碍，例如与常驻（或以前引入的）微生物群的竞争和不适宜的物理条件（例如土壤化学）。成功的微生物接种剂可以直接抑制病原体，也可以通过促进有益的居民微生物间接地抑制病原体。间接营养作用可以通过捕食共居居民微生物来间接改善植物健康，从而允许有益微生物在植物周围获得竞争优势。土壤改良剂可以直接刺激有益微生物的增殖，或者以有利于有益微生物生长或阻止病原体建立的方式改变土壤化学。
引入的微生物接种剂必须侵入常驻微生物群落，实施微生物接种剂的主要挑战之一是确保引入的微生物的建立（尽管有一些证据表明，接种剂不必在微生物组中持续存在才能产生长期效果）。常驻微生物群的存在可以通过竞争资源（生态位不可用）或直接抗微生物活性（拮抗）来阻止引入成员的建立。在引入接种物的同时，向居民社区补充营养素，可以提高建立成功率，并通过使竞争结果偏向于（代谢昂贵的）产生抗微生物的保护菌株而非非保护菌株，丰富防御微生物群。然而，在不同的根际中，预测营养利用效率（以及支持入侵者建立的营养可利用程度）可能具有挑战性。为了解决这一问题，有一项新兴的研究使用消费者资源模型来模拟微生物群落动态，而无需直接量化单个微生物的营养使用。这些模型可用于提取有关营养物质可用性的信息，这有可能被用作微生物组工程工具，这一点和其他类似的概念都源于入侵生态学文献，最近扩展到微生物世界。
尽管有一些方法可以提高接种物的定殖成功率（例如首先减少常驻微生物组的多样性，为接种物创造开放的生态位空间），但促进引入微生物建立的条件也可能允许病原体的定殖。因此，应仔细考虑在田间条件下改变常驻微生物群的生态后果，以防止意外影响。成功的微生物入侵可能会导致自然土壤群落的变化，使本地微生物群相互竞争，并破坏群落组成。关于微生物入侵的长期影响的讨论不在本综述的范围内，但有一组新兴的微生物入侵生态学研究，探索了微生物接种物对居民社区和生态系统服务的潜在影响和级联效应。
一般来说，微生物接种物混合群落（SynComs）的引入比单一菌株的应用产生了更可靠的结果，无论是在植物宿主的可推广性还是有益效果方面。在某些情况下，有益效果的可能性增加可能是采样效应的结果，其中“良好的共生体”（强烈抑制病原体或促进植物在目标宿主物种上生长的共生体）更有可能存在于混合群落中。也有具有协同效应的多物种组合的例子，其中群落的集体有益效应大于每个成员的个体效应的总和。然而，情况并非总是如此；微生物成员也可以加性地相互作用，其中每个菌株在不增强其他菌株效果的情况下提供额外的益处，或者亚加性地，其中混合群落的表现不如基于单个菌株表现的预期。混合群落也可以通过促进提供更高的建立可能性，其中有益菌株的成功建立或富集与共存伙伴菌株的存在有关。总的来说，这些发现表明，对其组成进行生态论证的多菌株接种剂可能有助于引入菌株的建立和效力。
尽管一些生态预测已经通过经验实验得到了验证，但由于自然系统的复杂性，SynComs的组装仍然具有挑战性，并且仍然很难预测哪些组合在该领域是有效的。增加共接种物的数量并不总是能产生更大的对植物病原体的保护能力，低阶（成对）相互作用并不总是能预测高阶（群落）结果。此外，优先效应（微生物引入的顺序）会显著影响最终的微生物组成和疾病结果。最后，就像单菌接种一样，宿主特异性可能会限制SynComs在广泛的植物宿主（甚至宿主内的品种）中的适用性。因此，尽管有在相对“野生”条件下成功接种微生物的例子，但SynCom设计仍然面临的一个重大挑战是在广泛的环境和宿主条件下实现一致和可重复的效力，这可能包括常驻微生物组组成的变化。
土壤改良剂（添加到土壤中以改善其物理、化学和生物特性）和肥料可以通过支持植物群落中已经发现的有益细菌的生长或减少病原体的增殖来改变微生物组的结构。先前的工作表明，有机肥料（由未定义的有机材料而非化学定义的无机肥料组成）往往会降低疾病的发生率，最近的工作重点是确定产生这种效果的有机肥料的特定属性。pH值的变化可以促进微生物组中病原体抑制成员的生长，特定分子（如几丁质和角蛋白）的存在可以富集专门降解这些分子的细菌，进而抑制真菌病原体（其细胞壁由几丁质和角蛋白组成）。用长链脂肪酸和氨基酸等有机化合物调节土壤也增加了假单胞菌病原体保护菌株的丰度。
此外，含有特定菌株的有机改良剂可以丰富土著微生物群落。例如，施用含有解淀粉芽孢杆菌的生物有机肥料刺激了当地土壤假单胞菌种群，从而增强了对香蕉中尖孢镰刀菌的抑制。同样，在应用绿僵菌改良剂后，慢生根瘤菌、黄杆菌、毛霉菌和木霉的丰度增加，从而抑制了豆类中的镰刀菌。含有选择性捕食非抗微生物芽孢杆菌的捕食性原生生物的生物有机肥料也可以通过减少芽孢杆菌的竞争来间接降低镰刀菌的密度和疾病。因此，尽管土壤改良剂是一种无针对性的微生物组工程方法，但有经验证据表明，在不确定的改良剂中用营养素和微生物补充土壤可以产生促进植物健康的积极作用。使用改良剂来富集已经是微生物组居民的有益细菌（而不是接种新成员），将最大限度地减少可能的宿主和生态位不兼容性。一个具体的例子是添加模拟根系分泌物的糖（蔗糖、果糖和葡萄糖），以增加糖单体的丰度并提高玉米根际的碱性磷酸酶活性。对有益细菌和非有益细菌占据的生态位空间的进一步探索将使我们能够改进改良策略。
工程植物微生物组的最后一个生态学挑战是微生物组本身的动态性质，因为它们可能在个体的一生中或对外部压力的反应中发生变化。此外，在一个时间点有益的微生物在不同的条件下可能不会有益，微生物的建立和增殖可能会受到环境的影响。田间条件（土壤化学、环境等）的可变性是设计微生物接种剂的一个主要挑战。因此，丰富已经与植物相关的生物的方法（通过土壤改良、整个微生物组移植或使用植物-土壤反馈来丰富有益微生物）正成为越来越广泛使用的方法，作为微生物接种剂的替代品。
了解植物-微生物共同进化以促进植物介导的微生物组工程
植物和微生物有着共同的进化历史。植物与其微生物群共同进化，并可以通过改变根系分泌物或调节免疫力来动态塑造微生物群。因此，植物可以在没有中间培养的情况下用于富集有益的微生物群（图3）。这些移植的微生物在生态和进化上已经与它们所应用的系统相关。了解驱动植物-微生物组关联的生命史和进化压力，将使我们能够更好地影响植物-微生物组合。
图3 植物驱动的微生物组工程方法
（a）植物对生物或非生物胁迫的感知可以产生遗留效应，即植物将微生物组塑造成对未来遇到相同胁迫的保护；
（b）野生植物比驯化品种拥有更丰富的微生物群落，并且也可以对胁迫具有更强的恢复力。在驯化过程中，与微生物群的关联可能会丢失或改变，这反过来又可能降低植物的耐压能力。了解一个物种内的自然变异以及野生和驯化品种之间的微生物组差异，可能有助于重新引入这些性状到驯化品种中。
（c）确定植物驱动性状的遗传基础对于培育或工程具有改善的植物驱动微生物组的作物是至关重要的。全基因组关联研究最近显示了在鉴定与微生物群落组成差异相关的植物位点方面的潜力。
微生物群可以通过预先暴露于压力源来调节土壤或植物生物群落来控制（图3a）。这可能发生在单代内，在感应到生物或非生物胁迫后，植物可以募集保护性微生物，也可能发生在数代内，例如在抑制性土壤中。几种作物的持续单一种植可能导致更严重的疾病。例如，番茄在以前种植番茄的土壤中生长不良，与野生品种相比，驯化品种的这种负面影响更加严重。然而，也有一些情况下，尽管存在病原体、易感宿主和有利的环境，但本地微生物群落可以降低疾病的发生率和严重程度。这发生在抑病土中，抑制病原体种群的积累不仅改变了病原体的密度和活性，还改变了土壤中其他细菌和真菌种群的密度和活动。因此，了解和利用植物-土壤反馈是提高处理寿命或疗效的机会，尤其是在植物世代之间。
在一代内，植物还可以招募有益的微生物来应对非生物胁迫。例如，干旱可以引发链霉菌属成员的富集，进而提供干旱胁迫耐受性。相比之下，洪水丰富了变形杆菌的成员，并改变了微生物在叶片上的演替轨迹。因此，土壤和植物预先暴露于非生物应激源可能会改变微生物群落，使其对当前和未来几代植物都有利。
同样，植物对病原体和害虫的感知可以在一代中触发有益微生物的补充。因此，病原菌和害虫的暴露可能有助于土壤防御未来感染。这一点已经在实验室中得到了证明，用病原真菌处理叶片可以塑造土壤微生物组，丰富微生物群，防止未来遇到病原体。同样，真菌和线虫可以产生RALF肽，通过受体激酶FERONIA操纵茉莉酸信号。RALF肽还将微生物组重塑为富含假单胞菌的微生物组，假单胞菌可以抵御真菌和卵菌病原体。然而，并非所有病原体引发的变化都是有益的；真菌和细菌病原体可以操纵微生物群，使其自身而不是植物受益。因此，尽管目前的研究表明，一些植物可以感知生物和非生物胁迫，并以将其微生物组重塑为保护配置的方式做出反应，但也有病原体可以利用微生物组的变化对植物造成损害。预先暴露于压力源、害虫和病原体是一种微生物组工程方法，显示出前景，但需要更细致地了解压力源如何以及哪些压力源影响植物，以及对哪些植物物种的影响。
实验室研究表明，经过几代选择获得的微生物群可以用来利用植物表型可塑性获得理想的性状。使用来自开花时间早或晚的基因型相同植物的微生物组移植表明，在短短几代内，植物的开花时间可能会有显著差异。类似地，宿主驱动的选择导致微生物群在低pH或高盐下改善植物性能。由于气候正在迅速变化，并引起作物对温度、干旱和营养的胁迫。微生物可以在适应气候变化所需的时间尺度上操纵植物的内在表型可塑性。
作物管理对植物健康有长期影响，因为有益细菌会在土壤中代代相传。一般来说，微生物群多样性或生物量的增加（通常是相关的）与更好的植物性能有关。农业实践包括作物轮作、最少耕作以及通过应用促进微生物多样性的有机改良剂来改良土壤的物理化学特性，可能有助于植物健康。因此，考虑管理技术如何改变土壤中的微生物群落可能是设计植物微生物组的另一种方法。跨系统遗留影响的可靠性和可预测性仍然是活跃的研究领域，需要对过去的事件如何改变微生物群的轨迹、抵抗力和恢复力有一个细致的了解。
通过植物育种增强作物与有益微生物的相互作用是一种新的方法，可以通过整合进化、生态和文化知识来提高作物生产力和质量。野生植物亲缘关系代表了一个可能在驯化过程中丢失的各种遗传特征的库（图3b）。识别控制野生亲缘中有益类群招募的特定遗传基因座，将使这些基因组蓝图能够整合到现有的作物育种计划中（图3c）。番茄品系中的微生物组相关定量性状基因座（QTL）定位确定了具有与链霉菌和细胞弧菌的存在相关的根特异性转录模式的潜在候选基因。同样，Escudero Martinez等人（2022）确定了大麦基因型中建立微生物群所需的三个候选植物基因。因此，有了现代遗传工具，就有机会利用进化的遗传物质的自然集合，使植物能够招募、维持和阻止微生物共生体，从而设计出更好的微生物群。
操纵植物的特殊代谢产物和分泌物可以促进微生物群的建立。例如，通过工程调节植物中三羟内酯和类黄酮的丰度，可以分别促进丛枝菌根和根瘤菌的建立。对模型植物的研究表明，根系分泌物改变的突变体可以改变微生物群的募集。例如，产生苹果酸的拟南芥改善了芽孢杆菌的募集。类似地，改变香豆素或三萜化合物的根丰度会改变微生物组的结构和功能。因此，基因工程和选择性育种有可能通过自上而下（植物到微生物）的机制，利用植物和微生物之间的进化关系发挥作用。
植物育种计划也可用于促进对微生物组有反应的植物基因型，这可能有机会进行“微生物组育种”。微生物组育种是一种新的进化方法，旨在通过植物世代培养、传播和维持微生物组的有益作用。微生物组特征（如植物特征）可以改变寄主植物的表型表达。微生物群也可以类似地经历“进化”，即某些基因或性状的等位基因频率可以改变，即使单个微生物的基因组不会改变。根据进化理论，通过提高植物对微生物组的“敏感性”，即选择表型性状受微生物组强烈影响的植物，可以最大限度地发挥可遗传的微生物组效应。因此，对微生物组敏感的植物可以更有效地选择有益的相互作用，这也是植物育种帮助微生物组工程的另一种方式。
为了使有针对性的基因操作方法（通过育种或工程）稳健地发挥作用，有必要了解导致植物-微生物相互作用途径进化发展的选择性力量和权衡。例如，植物生长防御权衡的证据意味着植物免疫信号的改善可能会导致生长下降。因此，对植物育种和基因改造采取生态进化方法将有助于指导生产对微生物群友好的植物品种。
在微生物组工程中考虑权衡和脱靶效应
可能不出所料，操纵微生物组会对植物健康产生偏离目标的影响（图1c）。植物免疫防御的权衡可能发生在各种轴上，这些轴可能以复杂的方式相互作用。此外，在微生物组工程中也需要考虑生态权衡，因为保护性微生物群不是无私的，因此可能会给植物带来一些成本。下面，我们提供了每种类型的权衡的一些例子。
植物可以识别各种微生物相关分子模式（MAMP），并通过其免疫反应和分泌物抑制或促进微生物生长来做出相应的反应。这为我们控制微生物组的组成提供了一条潜在的途径。然而，在允许共生体和抵御病原体之间存在着权衡。进化模型表明，植物接受与细菌共生体形成有益关系的能力也可能增加对病原体失去免疫警惕的概率。此外，植物的免疫反应在能量上可能是昂贵的。例如，众所周知，提高植物免疫力是以生长为代价的，而高抗病植物往往发育迟缓。因此，利用微生物促进生长可能会以抵抗疾病或害虫为代价。因此，病原体保护、共生体维持和植物生长之间的进化权衡应该整合到针对植物遗传学的微生物组工程方法中。
植物中的生物营养威胁和坏死营养威胁之间也存在免疫权衡。对生物营养型病原体的抵抗是以对坏死型病原体和昆虫的抵抗为代价的，反之亦然。事实上，模拟草食导致了微生物群的转移和叶片微生物组中致病菌的增加。此外，并非所有的昆虫抗性机制都是相同的，促进对咀嚼昆虫抗性的微生物会导致对吸汁昆虫的易感性。因此，有必要全面了解操纵一种植物性状如何影响植物的整体健康，以了解潜在的偏离目标的影响。
针对病原体的细菌特征也可能对微生物群或植物本身产生脱靶效应。产生丁香霉素和丁香胶蛋白等毒素的微生物群可以杀死真菌病原体，但也会导致植物生病。即使是特性良好的生物杀真菌剂，如2,4-二乙酰基氯苯酚（DAPG），也会影响植物生长。另一方面，生物杀虫剂（即能够控制/杀死特定害虫的微生物）可能会无意中针对各种对植物产生积极影响的生物。这些生物包括传粉昆虫、有益细菌、真菌和原生生物。因此，需要进行研究，重点了解这些生物杀虫剂和微生物入侵者如何在不同水平上影响植物适应性、微生物组结构和营养相互作用。
通常，微生物是针对感兴趣的特定特征进行分离研究的；例如针对一种特别具有挑战性的病原体进行生物防治的筛选。我们建议必须考虑对微生物如何影响多营养相互作用进行全面调查。其中包括植物在生活中可能遇到的多种压力，包括不同的生物和非生物压力，以及更高层次的相互作用，如捕食性昆虫的招募。类似地，旨在杀死病原体的生物农药也可能以有益微生物为目标。这些权衡对于某些应用来说可能是可以接受的；也许一种特定的作物对咀嚼昆虫和真菌的病原体压力更大，因此一种对这些昆虫和真菌具有抵抗力的微生物是合适的，因为这可能是以抵抗生物营养化病原体为代价的。对操纵一种植物特性如何影响植物生理和免疫的其他方面，以及植物与不同环境输入的生态相互作用的整体看法，对于确保微生物组工程不会导致意外后果至关重要。
总结
目前对植物微生物组工程的研究揭示了几个有前景的方向和方法，可能会成功地操纵植物相关的微生物群，下一步是将生态进化框架和观点整合到这些方法中。未来的研究方向应包括：（1）通过经验实验确定控制微生物入侵、建立和在植物生物群落中持续存在的主导生态力量；（2）扩大我们对影响微生物的植物遗传基因座的理解并扩充“库”，并将这些知识应用于植物育种方法；（3）在实验设计中结合不同的植物应激源、病原体或害虫，以考虑可能通过微生物组操作发生的植物适应性权衡。了解控制植物与微生物关系的生态和进化力量，将使我们能够更好地将实验室取得的成功转化为动态微生物相互作用、植物基因型变异性和更广泛的生态系统功能可能影响工程工作的功效、复原力和可预测性的领域。
原文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369526622001455