土壤微生物组调控土壤健康的作用机制

• 花匠小妙招
• 2024-12-25 21:36

土壤微生物组调控土壤健康的作用机制

1.1 土壤微生物组和元素循环

土壤中元素的生物地球化学循环是地球物质循环和流动的重要组成

部分，也是维持土壤健康的必要条件。土壤微生物组作为碳、氮、磷

和硫等元素循环的驱动者，通过已知和未知的代谢途径影响全球生态

系统服务功能。在碳循环方面，Xiao 等人证实了稻田生态系统中自

养微生物组在固定 CO

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提高有机碳库累积中的关键作用。在氮循环方

面，Zhao 等人在针对不同类型土壤中微生物组对氮肥和秸秆还田响

应特征的研究中发现，原生生物对氮肥施用和季节变化的响应比真菌

和细菌更加敏感，证实了原生生物是土壤微生物组中的关键生物类群。

在磷循环方面，微生物生物量磷的形成及磷酸酶对有机磷的水解是土

壤有机磷循环的重要途径。研究发现，携带磷循环相关基因的微生物

组可以合成释放有机阴离子，促进无机磷的溶解并矿化有机磷；同时，

在富磷条件下，通过降低磷饥饿反应基因(phoR)的相对丰度以及增加

低亲和力无机磷酸盐转运蛋白基因的相对丰度可增加微生物磷的固

定。还有研究表明，长期施用有机肥可通过影响菌根真菌、食真菌原

生动物和线虫间的多营养级微生物组互作从而提高植物磷吸收及作

物产量。Fan 等人也发现，关键土壤微生物组在维持土壤元素循环和

作物产量方面具有重要作用。此外，铁、硫等是地球圈和生物圈之间

动态循环的重要生物元素，参与相关氧化还原的微生物组对整个铁、

硫元素循环也有深远影响。例如，稻田土壤中存在的重要的铁氨氧化

过程也是由微生物主导完成的。然而，目前仍十分缺乏微生物分离和

微生物基因组的信息，一些关键微生物组的功能仍待深入探究。例如，

Tan 等人利用多组学的方法获得了四个潜在的新变形菌目的基因组草

图，并重建了基因组的代谢途径，揭示了这些新物种在自然界中的潜

在作用。伴随着探测土壤微生物组工具的不断更新与进步，研究者可

以更好地在分子、生化、生理和群落水平上认知土壤微生物组与元素

循环之间复杂的相互作用，进而调控土壤元素循环。未来研究还需要

进一步探索土壤微生物组参与关键生物地球化学过程影响元素循环

的新机制，以期对土壤健康做出更全面的预测，最终提出构建健康土

壤和提高作物产量的微生物组策略。

1.2 土壤微生物组和污染修复

土壤污染，如重金属、抗生素、石油烃和微塑料等污染物，对土壤健

康造成了严重的威胁。众所周知，微生物修复是一种利用生物修复污

染土壤的经济高效且环境友好的方法，已有多种具备高效生物修复能

力的细菌、真菌、藻类等微生物物种成功用于降低土壤中有毒污染物

的毒性。微生物生物修复过程主要取决于参与污染物生物降解相关酶

的活性，这些酶可将有毒污染物通过生物转化形成无毒或毒性较小的

物质。例如土壤重金属，微生物组通过协同互作可有效降低重金属的

生物毒性，阻止其向植物进一步转移。Xiao 等人首次通过高通量测

序和宏基因组学相结合的方法鉴定了五种水稻土中砷代谢基因的分

布，揭示了它们在砷生物转化中的潜力。同时，在针对稻田土壤中驱

动砷转化微生物组的研究中，Chen 等人发现，硫还原菌和产甲烷古

菌协同调控水稻土中二甲基砷的积累与降解。此外，在砷污染的稻田

土壤中，微生物组驱动的砷氧化耦合硝酸还原过程也是降低砷生物有

效性和毒性的重要途径。然而，由于微生物的生长与土壤 pH、温度、

氧气、土壤结构、水分和营养水平等条件密切相关，污染场地中土著

微生物种类及功能的信息尚不清楚，需要利用微生物组学及模型等手

段进一步研究。例如，Chen 等人利用系统进化基因组学、分子钟理

论和生物进化模型的方法系统描绘了地球演化历史中微生物对砷毒

性的适应过程，探索了生物基因组在解决进化生物学问题中的应用模

式，为理解重金属污染环境下的微生物生态学过程提供了重要基础。

因此，未来通过对土壤微生物组的深入研究，利用土壤微生物组从污

染环境中去除有毒污染物或降低其毒性是保持土壤健康的一种重要

生物手段。

1.3 土壤微生物组和土传病害根际免疫

在我国乃至全球范围内土传病害的爆发均非常普遍，如青枯病、根结

线虫病、立枯病和根腐病等，严重危害土壤健康和粮食安全生产。根

际土壤微生物组作为抵御病原菌入侵植物根系的第一道防线。能在根

际免疫形成和功能方面发挥关键作用。健康的土壤具有多样化的微生

物食物网，可通过捕食、竞争和寄生将病原菌控制在较好的水平之内。

近期有研究表明，通过适当的方法调控土壤微生物组能够减少土壤病

原菌的数量，提升根际免疫，从而减少或抑制病害的发生。例如，噬

菌体可通过“专性猎杀”和“精准靶向”来消灭病原菌，降低其生存

竞争能力，同时还能够重新调整根际土壤菌群的结构，恢复群落多样

性，增加群落中拮抗有益菌的丰度。根际原生动物群落与细菌群落的

互作在保护作物健康方面也能发挥重要作用。原生动物一方面可以直

接捕食根际土壤中的病原菌，从而抑制土传病害的发生。另一方面，

原生动物对细菌群落的捕食具有高度的选择性，即偏向捕食不能产生

抑菌物质或者产生抑菌物质能力弱的细菌种群，这样保留下来的产抑

菌物质能力强的细菌群落可以有效抵御其他病原菌的入侵。值得一提

的是，土壤微生物群落之间互作关系也与病原菌入侵能力和植物健康

密切相关。研究表明，免疫型根际土壤微生物群落多样性更高，微生

物互作网络更复杂。尤其值得注意的是，Li 等人发现，根际竞争互

作型群落可以产生更多的抑菌物质，或者充分占据根际有限的生态位，

从而有效抑制病原菌的入侵，抑制土传病害爆发；然而，便利型菌群

通过产生大量的公共物品为土传病原菌的根际入侵提供宝贵的资源，

从而促进病害的发生。因此，通过人为调控来富集特定的功能微生物

类群，培育特定的功能微生物组，构建免疫型根际土壤微生态环境，

是减少化学农药施用，提升土壤健康的一种新的技术和途径。

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