植物-微生物互作，是近年来跨界研究领域的热点。2025年，白洋老师发表于Cell正刊，通过结合高通量细菌培养和宏基因组测序技术，构建了植物根部细菌和病毒基因组研究的综合数据库（挖啊挖啊挖！根际微生物中挖出一篇Cell），为作物根际微生物提供了宝贵资源。
植物根际微生物的塑造，是植物通过主动分泌化学物质、调控免疫反应及改造根际微环境，选择性富集有益菌并抑制有害菌的主动“工程化”过程，有效提升植物抗逆性（IF：23.2｜从实验室到田间，微生物干预提高植物抗逆）。根系分泌物作为核心调控工具，为特定微生物提供营养，从而实现精准招募。
2025年9月，荷兰乌得勒支大学生命科学在《Plant Physiology 》发表了题为“Roots: metabolic architects of beneficial microbiome assembly ”的综述。文章讨论了根作为其相关微生物群的代谢构建者的新兴概念，其中植物-代谢物-微生物组相互作用与关键的生命支持系统（如免疫和营养获取）共同进化。阐明了代谢产物驱动的微生物选择的机制可以指导未来作物的发展，优化微生物群的有益补充和增强抗逆性。
研究背景
可持续农业需求：20世纪60年代"绿色革命"虽使作物产量提升40-50%，随着化学肥料和农药带来的环境问题日益突出，利用植物-微生物组互作被视为"第二次绿色革命"的关键。
植物-微生物组互作的核心地位：根系微生物组提供40% 以上生态系统功能（如养分循环、胁迫抗性），被称为植物的“第二基因组”，对植物营养、抗逆性和健康具有重要作用。结合了多组学例如宏基因组、宏转录组、非靶向代谢组等研究方法，对植物健康、营养吸收与抗逆性至关重要（高分文章利器！“逆境-植物-微生物”高分文章经典研究思路上线！速来get！），是发展绿色农业的理论基石。
根系代谢物的关键介导作用：作为植物与微生物之间的化学信号，调控微生物的招募、定殖和功能，是植物构建有益微生物组的“代谢建筑师”。（一张图get多组学联合如何卷出新高度）
研究大纲
主要结果
1.根系-微生物组界面：空间分异与宿主选择
植物根系对土壤微生物群落具有依赖于寄主基因的选择压力。植物根主要通过根际、根表和根内三个空间层次对微生物（包括16s rRNA、宏基因组、宏转录组等方法）进行选择性筛选。
植物根部具有化学和结构屏障，调节与周围微生物群的相互作用。主要是一些次生代谢产物化学障碍和木质素等结构性障碍可以阻止微生物进入根组织，因此根内圈是一个高度选择性的环境，只允许特定的微生物定殖，维持低多样性的核心微生物组。
植物基因型的影响随着离根距离的增加而减弱，靠近根的地方会由于不同植物分泌的代谢物和物理屏障不同对定殖的微生物进行筛选，因此远离根系区域一些大块土壤会受到土壤类型、pH、水分等环境因素的影响。
图1 受植物根部影响的土壤区域的放大图（根区和宿主基因型效应）
2.根系代谢物：植物的“化学语言”，在微生物组组装中的选择性作用
植物可产生0.1-100 万种代谢物，数量远超其他生物界。代谢物分泌具有动态性和环境依赖性。代谢物的扩散会受植物不同的发育阶段（如根轴不同区段）、胁迫（生物 / 非生物）、根结构等影响。且代谢物一旦释放到根际，它的稳定性和扩散率也会反过来对微生物产生影响。
根分泌物的组成是高度多样化的：
▶ 初级代谢物（糖、氨基酸、有机酸）：作为微生物通用碳源，支持快速生长的富营养菌；
▶ 次级代谢物（黄酮类、香豆素、生物碱等）：不参与核心代谢，但具有基因型依赖性，具有抗菌、信号传递、营养动员等功能，如拟南芥分泌的香豆素抑制镰刀菌，同时富集产铁载体假单胞菌，玉米分泌的苯并恶嗪类塑造根际菌群并提升Fe吸收。
总的来说，植物代谢物在构建根际微生物群落中的起到核心作用，并且在根环境中存在植物-微生物相互作用的动态反馈机制。
3.植物免疫系统：微生物的“筛查”
植物先天免疫系统是植物抵御病原微生物入侵的核心防御体系，由两个主要层次构成：病原相关分子模式激发的免疫反应（PTI）和效应蛋白激发的免疫反应（ETI）。PTI通过细胞膜表面的模式识别受体（PRRs），感知病原相关分子模式，激活基础防御；ETI则识别病原效应子，激活特异性免疫。
由于根际作为微生物热点区因富含MAMPs ，需要植物严格调控根免疫以避免生长-防御失衡，但这个平衡并非由植物单方面决定，微生物也是其中积极的参与者。有趣的是，在之前的多项研究中发现，约40%的根际微生物能局部抑制植物免疫，例如假单胞菌通过分泌葡萄糖酸降低pH，这种酸化损害了免疫识别，从而使微生物在富含MAMP的环境中定殖，并支持植物的正常生长。
此外，病原菌感染植物时，会存在“呼救信号”机制：病原菌感染植物后会改变根系代谢物谱，招募保护性微生物（如拟南芥感染后富集链霉菌，链霉菌可能会分泌一些抗生素对病原菌产生抑制或直接杀死）。
植物激素信号通路是整合PTI与ETI免疫信号、精准调控防御反应类型与强度的核心枢纽。水杨酸（SA）和茉莉酸（JA） 是两种关键的防御激素，它们二者拮抗，分别应对不同类型的病原物，共同塑造微生物组组成。
图2 健康与患病状态下，植物通过免疫识别、代谢物分泌与微生物的互作差异。
注：健康时植物精准调控免疫，与有益微生物共生并抑制病原；患病时病原通过效应子突破防御，植物则通过 “呼救” 招募有益菌应对侵染。
4.根系代谢物作为养分获取和微生物群落组装的双重作用
植物在面临营养胁迫时，会分泌特定的根系代谢物，直接活化土壤中的难溶性养分或作为选择性信号，招募能够帮助植物获取该种养分的特定有益微生物。文章主要以植物缺铁、缺磷和缺氮为例进行了总结。
● 缺铁：植物分泌香豆素、苯并恶嗪类代谢物。香豆素将难溶的Fe3+还原为可吸收的
Fe2+，并富集产铁载体微生物，协同活化铁元素，提升铁的生物有效性。同时还能抑制有害菌（相关阅读：Nature正式掀起铁离子研究热潮，Science子刊|微生物互作网络研究新突破）。
● 缺磷：植物分泌的独脚金内酯，特异性招募并激活丛枝菌根真菌（AMF）,溶磷细菌（PSM）定植于丛枝菌根的表面，分泌磷酸酶、有机酸溶解有机磷，AMF再将磷转运给植物。
● 缺氮：豆科植物的黄酮类同时招募根瘤菌（固氮）和AMF（增强氮转运），非豆科植物（如玉米）分泌特定黄酮，富集草酸杆菌科细菌，促进氮吸收与侧根发育。
总的来说，根系代谢物既通过化学特性直接动员稀缺营养（铁、磷、氮），又通过选择性招募/富集有益微生物，形成“代谢物-微生物-植物”的协同网络，最终实现营养获取与微生物组组装的精准匹配。
图3 养分缺乏诱导产生的关键根系代谢物及其在有益微生物招募与互作中的作用
研究展望
两大应用战略
● 植物驱动策略：通过育种手段，选育能够增强特定根系分泌物分泌和有益微生物招募能力的作物品种。
（相关阅读：农业育种好策略：凌恩生物种质资源数字化全方位解决方案）
● 微生物驱动策略：开发人工合成菌群或构建功能增强的工程菌株，作为新一代的生物制剂。
（相关阅读：NC|如何获得高质量的人工合成菌群？，谁说微生态研究都是结果描述？）
技术突破方向：多组学技术分析
▶ 空间组学分析
空间宏转录组学（10x Visium）：解析根际微生物-植物转录本的空间分布与热点区。（凌恩生物×华大时空｜空间转录组上线啦！）
空间质谱成像（RhizoMAP）：绘制根系分泌物与微生物代谢物的微米级分布梯度。
▶ 微生物组学分析
宏基因组测序：解析土壤/根际微生物的物种组成与功能基因池。
（相关阅读：农业宏基因组特色项目，微生态功能研究，除了宏基因组还能做什么？）
宏转录组测序：检测微生物功能基因的原位表达活性。
16S rRNA/ITS（细菌、真菌、功能基因扩增子）高通量测序：分析微生物群落结构动态变化，多营养级联合解析微生态网络生物功能多样性。
（相关阅读：新学期，新气象！凌恩生物扩增子项目1.5版本重磅升级！，Nature Microbiology|细菌+真菌+原生生物多营养级研究新思路助力）
▶ 植物与代谢组学分析
植物转录组学：鉴定根免疫相关基因的表达模式。
非靶向代谢组学：筛选根际关键代谢物（MAMPs、防御代谢物、信号分子）。
（相关阅读：转录组+代谢组强强联合出高分）
▶ 模型构建与预测
基于约束的群落代谢模型：解析微生物碳分配与互养关系。
RhizoSMASH算法：通过基因组筛选微生物代谢基因簇，预测其利用根代谢物的能力，实现从序列到功能的预测。
AI/ML模型：通过共定位的多组学数据集与因果推断机器学习框架相结合，来阐明植物与微生物之间的定向反馈机制。
总结
植物通过根系代谢物主动塑造其根际微生物组，这一过程与植物免疫和营养获取系统协同进化。
代谢物在营养胁迫和生物胁迫下动态调控微生物组，实现对植物健康的双重保障。
未来可通过育种优化根系代谢物分泌、构建人工微生物联合体，结合多组学与AI 技术，开发可持续农业策略，提升作物抗逆性与营养效率。
凌恩生物深耕多组学测序服务，助力根际微生物 - 植物互作研究全速突破！
从16S/ITS 扩增子测序解析根际微生物群落结构，到宏基因组/宏转录组测序挖掘功能基因池与代谢潜力；从空间宏转录组测序精准定位微生物 - 植物转录本的原位分布，到代谢组测序解锁根系分泌物MAMPs的调控密码——凌恩生物覆盖全维度组学技术平台，为您的研究提供从样品制备、测序检测到生物信息学分析的一站式解决方案。凌恩生物始终以高质量测序数据、精细化分析方案，为您的科研成果保驾护航！
有意向的老师们请即可联系我们（技术电话：13032137192），解锁根际微生物组研究新范式！
参考文献
Melissa Uribe-Acosta, Alberto Pascale, Jiayu Zhou, Ioannis A Stringlis, Corné M J Pieterse, Roots: metabolic architects of beneficial microbiome assembly, Plant Physiology, Volume 199, Issue 1, September 2025, kiaf349, https://doi.org/10.1093/plphys/kiaf349
