土壤微生物组与土壤健康

土壤微生物组调控土壤健康的作用机制
➢ 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。
➢ 在众多生物学指标中，土壤微生物组符合指示土壤健康生物学指标的大多数标 准，可以作为土壤健康的重要指标。
引言
➢ 研究表明，微生物多样性越高的土壤，表现出更多的生态功能、更高的抗环境 胁迫和作物生产能力。
➢ 未来还可以通过调控土壤微生物组来提高土壤健康和作物产量，减少农药和肥 料的施用，从而降低农业生产过程中资源消耗和缓解环境污染问题，实现农业 生产的第二次“绿色革命”。
➢ 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。
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引言
➢ 虽然越来越多的新型土壤微生物及功能被发现及认知，但是有关土壤微生物组 代谢潜能的信息仍很缺乏。
➢ 此外，对土壤微生物组在环境中的动态变化认知也不够深入。 ➢ 目前，土壤健康中的生物学方面，尤其是微生物学特征与土壤生态系统功能之
间的关系还不清楚，这阻碍了发展基于土壤微生物组的土壤健康指标。 ➢ 因此，发挥多组学技术的优势，利用多学科交叉来挖掘未知的土壤微生物组来
➢ 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CO2提高 有机碳库累积中的关键作用。
土壤微生物组调控土壤健康的作用机制
➢ 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。
基于土壤微生物组的土壤健康评价体系
➢ 土壤微生物组和生态系统多功能性
➢ 土壤微生物组在土壤生态系统的调节、支持和供应功能中起着关键作用，是联 系陆地生态系统中地上-地下部分的关键纽带。
➢ 土壤健康的综合评价指标需要对表征土壤生态系统服务的各项指标进行评估。 ➢ 基于生态系统多功能的复杂性，量化生态系统多功能性来指示土壤健康比较困
➢ 近年来，国内外学者在微生物多样性与生态系统多功能性的研究方面取得了长 足进展。
➢ 研究表明，土壤微生物多样性和生态系统多功能性存在显著的正相关关系，更 多样化的土壤微生物群落具有改善农业生态系统功能的潜力。
➢ 其中，稀有物种与土壤生态系统多功能呈显著正相关。 ➢ 微生物多样性带来的功能冗余能提高生态系统对逆境胁迫的耐受能力。
➢ 随着人们对土壤健康认识的逐渐深入，土壤质量被赋予了更多的健康内涵。 ➢ Doran和Zeiss在2000年首次提出土壤健康的概念，土壤健康是指土壤维持植
物、动物和人类的重要生命系统的持续能力。
引言
➢ 土壤健康强调土壤在社会、生态系统和农业中的作用或功能。 ➢ 健康的土壤可以源源不断地为人类带来环境、经济和社会方面的效益，如为人
难，而其中与生态系统服务有密切联系的土壤微生物对环境变化较为敏感，可 作为指示土壤健康的重要评价指标。
基于土壤微生物组的土壤健康评价体系
➢ 如土壤微生物通过参与凋落物分解、有机质矿化、初级物质生产、地上和地下 群落之间物质和能量的迁移等过程来维持生态系统的多功能性，从而可对植物 产生刺激和抑制作用。
➢ 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。
促进土壤健康，提高农业可持续生产能力是未来土壤微生物组研究的目标。
土壤微生物组调控土壤健康的作用机制
➢ 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。
引言
➢ 土壤中存在着地球上种类最丰富的微生物群落，如细菌、古菌、真菌、病毒、 原生生物以及一些微型动物等，这些生物可统称为土壤微生物组。
➢ 它们在土壤有机质、氮素和磷素等元素循环中起着至关重要的作用，调控着诸 多生态过程，如甲烷、氧化亚氮等温室气体的产生与排放，并与土壤健康和作 物生产密切相关。
➢ 随着土壤微生物组研究的深入，越来越多的研究者认为，土壤健康应主要考虑 土壤的微生物学组分以及土壤生态系统功能，特别是在系统中维持能量流动、 物质循环和信息交换的功能。
土壤微生物组调控土壤健康的作用机制
➢ 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。
类提供健康的食品及优美的环境。 ➢ 当前针对土壤健康的评价一般包含土壤的物理、化学和生物学等指标，但物理
和化学指标无法反映土壤的动态生命系统的变化，因而土壤生物学指标，如微 生物组成、结构、功能和生物学过程逐渐引起研究者的重视。 ➢ 一个具有高生物多样性和充满活力的健康土壤一定具有较为优良的物理和化学 特性，因此，相对于传统的物理和化学指标，生物学指标能更好地指示土壤健 康，建立标志土壤健康的关键生物学指标对于农业可持续发展和维护土壤生态 系统功能至关重要。
➢ 微生物组学使研究者脱离了对纯培养方法的依赖，使得微生物功能研究达到了 一个前所未有的新阶段，而高通量培养组学的发展打破了传统99%的土壤微生 物不可培养的局限，这些组学研究技术的发展为调控土壤微生物组、促进土壤 健康和提高作物生产提供了有力的工具。
➢ 借助于这些技术，土壤微生物组与土壤健康的研究也已经扩展到多个领域，如 土壤微生物组与元素循环、污染土壤修复和土传病害根际免疫调控等领域。
土壤微生物组调控土壤健康的作用机制
➢ 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。
➢ 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。
土壤微生物组调控土壤健康的作用机制
➢ 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。
引言
➢ 在过去的几十年中，虽然许多科学家陆续提出了众多潜在的土壤生物学指标， 但至今仍存在很多争议，尚未形成共识。
➢ 主要原因是土壤生物学受多种环境因素影响，如温度、含水量等，变异较大， 导致人们很难对生物学指标进行量化。
➢ 土壤健康的生物学指标应该与生态系统功能和服务密切相关，具备经济有效性、 敏感性和可检测性。
➢ 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。
土壤微生物组调控土壤健康的作用机制
➢ 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。
➢ 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。
土壤微生物组调控土壤健康的作用机制
➢ 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
➢ 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。
土壤微生物组与土壤健康
引言
➢ 土壤是自然界最复杂的生态系统之一，健康的土壤是维持土壤生态系统服务功 能可持续性及保证粮食安全的关键。
➢ 土壤质量是健康土壤的核心，自20世纪90年代初以来，土壤质量得到研究者和 相关从业人员的广泛关注，土壤质量是土壤保持动植物生产力、水和空气质量， 保护人类与动植物健康以及栖息地的能力。
➢ 基于以上分析，土壤微生物组可作为土壤健康的关键性评价指标。 ➢ 此外，土壤微生物组在2019年还被美国国家科学院、工程院和医学院列为农业
领域亟待突破的五大研究方向之一。 ➢ 因此，土壤微生物组对土壤健康和农业可持续发展具有重要意义。
引言
➢ 随着高通量测序技术的突破和生物信息学的发展，土壤微生物组学与土壤健康 的研究得到了迅速发展，特别是自2012年以来，相关研究的发文量直线提升， 表明利用微生物组来研究土壤健康逐渐引起研究者的关注。
➢ 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。
土壤微生物组调控土壤健康的作用机制
➢ 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。
制在较好的水平之内。
土壤微生物组调控土壤健康的作用机制
➢ 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。
基于土壤微生物组的土壤健康评价体系
➢ 土壤生物多样性的丧失和土壤群落组成的单一化会损害和抑制多种生态系统功 能，包括植物多样性、养分保持和养分吸收等。
➢ 在土壤生态系统中，很多分类地位不同的微生物可以执行相同的代谢功能。 ➢ 当某种微生物在环境胁迫下时，其作用可被其他物种替代，从而维持生态系统
稳定性。 ➢ 因此，在未来的土壤健康评估中，必须综合考虑土壤微生物组与生态系统多功