Harnessing microbial multitrophic interactions for rhizosphere microbiome engineering - ScienceDirect

摘要

根际是植物根-土壤界面的一个狭窄而动态的区域，它被认为是地球上最复杂和功能最活跃的生态系统之一，它促进植物健康，减轻生物和非生物胁迫的影响。通过改造根际微生物组来改善微生物组的关键功能是改善植物生长、恢复力和土壤传播疾病的新兴工具。最近，组学工具、基因编辑技术和测序技术的出现使我们能够解开植物-微生物相互作用的纠缠网，增强植物的适应性和对生物和非生物挑战的耐受性。植物将低分子量的信号化合物分泌到根际，使各种物种参与形成一个巨大的深层复合物阵列。根际微生物组的多营养相互作用的基本原理尚不清楚，然而，已经为疾病管理和农业可持续性做出了一些努力。本文综述了微生物内部和微生物间以及微生物与动物之间的相互作用及其在植物健康和土壤传播疾病管理的根际微生物组工程中的多功能作用。同时，利用组学技术研究了利用PGPR和覆盖作物策略提高植物根际微生物组功能对植物发育和保护的重要影响。根际植物相互作用的生态工程可以作为植物生长改善、可持续疾病控制管理和提高经济作物产量的潜在替代技术。

Fig. 1. Plant Microbiome harbors different and diverse microbial communities. These various compositions depending on the plant compartment. Dominated microbial taxa colonized different plant niches of plant microbiome: Rhizosphere, phyllosphere and endosphere of stem and leaf (Trivedi et al., 2020). 

图1。植物微生物组包含不同和多样的微生物群落。这些不同的成分取决于植物室。主导的微生物类群定殖了植物微生物组的不同植物生态位：茎和叶的根层、叶层和内层（Trivedi等人，2020）。

表1 不同论文中提出的植物微生物组工程不同方法的汇编。

Fig. 2. The schematic presentation of various interactions between, plant-microbe, microbe-microbe and plant-animal in the plant holobiont. These established interactions involved in plant microbiome cross talk that could be influence plant health positively or negatively.

图2。植物全生物中植物微生物、微生物微生物和植物动物之间的各种相互作用的示意图。这些已建立的相互作用涉及植物微生物组交叉对话，可能对植物健康产生积极或消极影响。

Fig. 3. Omics approaches are designed for the plant to optimize rhizosphere microbiome interaction for plant health and protection against biotic and abiotic conditions. 

图3。Omics方法专为植物设计，以优化根际微生物组相互作用，促进植物健康，防止生物和非生物条件。

Fig. 4. Factors affecting the Plant-microbiome association and the chemicals exudates released by roots to recruit microbial species. Abiotic factors influence plant growth, development, immunity, and metabolism, while the biotic has both beneficial and harmful synchronously. Intriguingly, the host itself releases specific root exudates that recruit beneficial microbes that bassist and provide nutrients availability, induce and prime host immunity and enhance tolerance under hostile conditions.  

图4 影响植物微生物组关联的因素和根释放的化学渗出物，以招募微生物物种。非生物因素影响植物的生长、发育、免疫和代谢，而生物因素同时具有有益和有害的作用。有趣的是，宿主自身会释放出特定的根系分泌物，这些分泌物会招募有益的微生物，从而提供养分，诱导和激发宿主免疫力，并增强宿主在宿主条件下的耐受性。

Fig. 5. Multitrophic interaction between plant-microbe, Microbe-microbe and animal-plant interaction in belowground ecosystem. 

图5 地下生态系统中植物微生物、微生物-微生物和动植物相互作用的多营养相互作用。

表2 促进植物生长的根际细菌及其在使用各种作用模式控制植物的各种土壤传播疾病中的作用。

Fig. 6. The influence of cover crops in three successive years. The cover crops enhance microbial activities and diversities, nutrients, organic matter and yield production. 

图6。连续三年覆盖作物的影响。覆盖作物提高了微生物活性和多样性、营养素、有机质和产量。

Fig. 7. The biotic and abiotic factors influence rhizosphere. The plant also secret root exudates under biotic and biotic stress to attract beneficial microbes and underpins plant health fitness and protection. 

图7。生物和非生物因素影响根际。在生物和生物胁迫下，植物也会分泌根系分泌物，以吸引有益的微生物，并支持植物健康和保护。