【原】?土壤中微生物對養分獲取的相互作用：礦工、清道夫和載體

微生信生物 2024-01-20 發布于北京

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DOI：10.1016/j.soilbio.2023.109215

摘要

土壤中的微生物相互作用是隱藏的，因為它們在“暗箱”中悄悄地發生。這極大地限制了我們對微生物功能的了解。在這里，土壤微生物被分為三個廣泛的功能組，即礦工，清道夫和載體，解開復雜的微生物勞動分工和相互作用的養分獲取。礦工，如腐營養微生物、固氮和解磷細菌以及外生菌根（ECM）真菌，首先通過水解、氧化和/或礦化來分解或移動不直接生物可利用的有機或無機物質。以叢枝菌根（AM）真菌為典型的清道夫，在寄主植物的幫助下探索并有效地吸收養分，但不能獲取儲存在有機質或礦物質中的養分。具有絲狀生長的載體，如ECM、AM和親脂營養真菌，將營養物質和單細胞細菌運輸到利用大土壤體積的營養物質的新位置。這三個群體建立了“分工”和相互作用網絡，從而減少了代謝負擔，提高了基質利用效率，并最終增加了根際、碎土和散裝土壤中的養分獲取。值得注意的是，這種基于功能的土壤微生物分組是靈活的，并且特定的微生物可以是多功能的。生態功能的靈活性和相互作用的結果是應對土壤養分含量、有機質可用性和氣候條件變化所必需的。盡管如此，這種廣泛的分組有利于凝聚功能多樣性，并能更好地了解微生物群之間的相互影響，有助于熱點的形成和消失、養分的調動以及向根系的輸送。將成對相互作用的實驗室研究、使用合成微生物群落的實驗與網絡分析和成像技術相結合，對于解開微生物協會的纏結網絡至關重要。微生物類群之間的相互作用是揭示微生物在陸地生態系統中真正功能作用的重要依據。

前言

土壤環境為微生物創造了許多微生境和生存空間，占據了對比鮮明的生態位。微生物群落共同執行關鍵的生態系統過程。群落水平的特征來自多種微生物之間的相互作用，導致整體生態系統功能與單個類群的生態屬性有很大差異。一個物種的功能可能會有很大的波動，從完全功能（當條件最佳時）到完全喪失功能（當物種處于休眠狀態時）。微生物的具體功能取決于當時的環境條件和微生物的需求。許多類似的功能經常由不同的微生物分類群來執行，這種現象被稱為冗余原則，即使某些分類群無法維持其功能，系統也能保持穩定。例如，如果群落中的微生物物種在抵御缺水的能力方面存在差異，則即使在極端干旱的情況下，該物種的一個子集也能存活并執行給定的功能。盡管微生物在微生物相互作用中的重要性和普遍性，但許多最近的研究都集中在微生物群落的結構和多樣性上，以及各個群體的具體功能，不考慮功能冗余。這些方法雖然清楚地顯示了微生物群落的動態和單個微生物類群的增殖，但沒有考慮到土壤中微生物相互作用的必要性。

微生物群落的物種多樣性及其在復雜土壤環境中的功能依賴于生物和非生物因素，這是限制我們理解微生物互作的兩個主要障礙。將土壤微生物組裝成基于相互關聯的生態過程的幾個廣泛的功能組可能有助于理解和預測微生物相互作用。在這里，我們提出了一個新的框架，分類三個微生物組，以區分那些參與重要的生態過程有關的營養獲?。旱V工，清道夫，和載體。在自然生態系統中，氮 (N)、磷 (P) 和硫 (S) 等大多數養分都與土壤有機質 (SOM)、植物殘體和微生物生物量結合在一起，因此無法被根系和微生物直接吸收。開發這些資源對于土壤生物克服養分限制至關重要。最初，為了呈現根與微生物功能群相互作用的動態前沿，根據營養限制條件建立了以下功能群。顯然，這些微生物的分組和相互作用也與大塊土壤有關，盡管涉及到特定的微生物類群，而且這三種微生物群的優勢可能會隨著微環境、棲息地以及養分和碳的可用性而發生變化。

了解微生物對有機質中養分轉化為生物有效形式的調控作用已受到土壤學家和農學家的廣泛關注。三個功能組：與微生物生命策略相關的礦工、清道夫和攜帶者具有不同的生理或形態特征，這些特征決定了它們可能有助于哪些生態過程。許多特征，包括功能基因的類型，碳氮比，單細胞或絲狀生長形式，以及與植物的共生或自由生活關聯，都是微生物固有的，反映了它們有效獲取和利用資源的能力以及相關途徑。我們在這里主要列舉了五種類型的微生物：叢枝菌根（AM）真菌，外生菌根（ECM）真菌，固氮細菌（共生和非共生固氮細菌），解磷細菌（PSB）和腐養微生物（腐養細菌和真菌）。為了將這三個功能組組合在一起，我們強調一個主要問題：“他們在做什么（或者他們能做什么）？”而不是“誰在那里？”因此，我們支持“群落功能比個性更重要”的原則。

我們在這里主要集中在與營養獲取策略相關的微生物群體之間的相互作用。本文從微生物對養分的吸收、利用和攜帶三個方面對微生物間的相互作用進行了總結和討論，包括：（1）微生物間相互作用的特點和優勢;（2）微生物間相互作用的生態學意義;（3）微生物間相互作用的理論基礎。以及（4）研究微生物互作的建議工作流程。這些功能見解將揭示不同于土壤中單個群體的王國間聯合體的獨特特征，并支持微生物組的有效部署來調節植物營養獲取。

微生物獲取養分的功能群特征

一個物種可能無法作為“超級微生物”同時履行所有功能。物種的長期共同進化導致微生物功能的適應和專業化，以及“勞動分工”。微生物可以根據它們參與營養獲取過程的主要步驟進行分組，如礦工、清道夫和攜帶者。我們將礦工定義為微生物組，動員生物不可利用的資源，包括持久性有機物質，和不可溶的無機化合物，為其他或微生物可獲得的營養形式。因此，礦工構成了營養金字塔的基礎。清道夫可以直接從土壤中有效地吸收養分，也可以在宿主植物和其他微生物的幫助下間接地從生物不可利用的資源中吸收養分。載體是能夠通過其長的、分支的和絲狀的菌絲沿著沿著土壤空隙將水、營養物甚至其他微生物運輸到需要它們的位置的微生物。

本節介紹了屬于這三個微生物群的五種類型的微生物的主要特征和關鍵作用，以及它們在養分獲取方面的多種功能和任務。此外，建立了一個新的微生物框架，包括礦工、拾荒者和參與營養獲取的載體，以了解微生物之間的相互作用。

圖1

2.1腐生微生物

自由生活的腐生微生物是凋落物和有機質分解的關鍵。腐生微生物通過分泌胞外酶將凋落物和有機質水解氧化為簡單小分子物質，將凋落物和有機質氧化為簡單小分子物質（分子量約600 Da的單體或寡聚體）。這些小分子隨后被用于微生物的生長和維持，是進一步礦化以及為微生物和植物提供能量、C、N、P 和 S 的基本化合物。腐生微生物包括微生物分解者群落中的真菌和細菌。細菌分解者（主要是革蘭氏陰性菌株）能促進現成化合物（如根部滲出物、某些蛋白質和脂質以及動物尸體）的快速轉化。例如，Psychromonas 成員在厭氧條件下是蛋白質和脂質的重要降解者。較慢的真菌主導的途徑支持復雜有機物質的分解，如木質素。真菌在分解持久性凋落物化合物中的重要性與它們作為礦工的潛在作用有關，這與它們降解木質素和纖維素的能力有關。與細菌相比，真菌（主要是擔子菌門和子囊菌門）產生更廣泛的胞外酶，如纖維二糖水解酶、β-1，4-木糖苷酶、酚氧化酶和過氧化物酶，以將纖維素、半纖維素和木質素轉化為可被其他微生物群體同化的較小分子。

具有較小細胞尺寸的細菌往往具有較大的表面積與體積比，這使得它們能夠比具有較大細胞的真菌實現更快的每單位消耗底物的生長速率。這表明細菌的機會主義策略，其中它們在容易獲得的物質存在時立即作出反應。與細菌相比，真菌通常具有緩慢的生長速率，除了酵母、糖真菌和根霉屬物種（毛霉亞門），其在生長速率方面勝過大多數細菌。生長較慢的真菌通常在結構和/或防御化合物上投入更多，以補償其快速重建生物量的能力降低，正如其比細菌更寬的最佳生長pH范圍所證明的那樣。此外，真菌更耐受水分脅迫，由于其絲狀結構，并產生水感霉素，這使得菌絲能夠耐受潮濕土壤棲息地之間的干燥位置。這些特性使得即使在干旱條件下也能更好地獲取和利用基質。有些細菌門比真菌更能忍受惡劣的環境。例如，枯草芽孢桿菌是一種孢子形成細菌，它會進入新陳代謝休眠狀態，以應對惡劣的環境。然而，這些孢子是代謝不活躍的，并不有助于營養動員。

大多數土壤微生物是固著的，不能向相關距離的資源移動，因為微生物通過范德華力附著在礦物和有機表面上。土壤棲息地包含充滿空氣的空隙，單細胞細菌無法橋接這些充滿空氣的空隙，進一步限制了細菌的存活、運動和功能。因此，如果沒有向有機物、營養物質和水轉移的途徑，細菌的定殖速度就會很慢。真菌的菌絲生長形式克服了這一缺點，真菌可以比細菌更有效地定居和滲透分解有機物。細菌中的一個例外是放線菌，它們具有類似于真菌的絲狀生長。另一個例子是一些細菌物種（即，大腸桿菌和沙門氏菌屬）能夠在液體介質中游動運動，并通過鞭毛的鞭打運動和分泌粘液物質等機制在固體表面上群集運動。這些能動的細菌和放線菌被分類為營養物質運輸的載體。

總之，腐生細菌和真菌作為主要的礦工，有不同的化學和空間生態位的有機質分解為自己的需求。值得注意的是，礦工通常只在低營養土壤中活動。在沒有任何新鮮底物的情況下，許多腐食微生物不向土壤中分泌胞外酶，必須進入可逆的休眠階段或靠欺騙生存。與養分貧瘠的土壤相比，養分豐富的土壤對養分開采活動的需求會減少。在此背景下，礦工的微生物類群也能集中生長發育，尤其是細菌。嗜鹽真菌可以通過無意的損失或交換其他資源而轉變為載體功能來運輸營養物質。

2.2.固氮菌

生物固氮是將大氣氮素引入生物圈的最重要的天然途徑，是植物生產力的重要氮素輸入途徑。這一過程僅限于原核生物，主要是細菌。.許多產甲烷古菌具有nifH基因，并積極表達其用于N2固定。根據植物與微生物之間的密切程度和相互依存關系，生物固氮可分為三大類 i) 與自由生活的 N2 固定器官松散結合：自由生活的 N2 固定細菌已在芽孢桿菌、變形菌、放線菌和藍細菌中得到確認，它們通過趨化作用對根部滲出物做出反應，并定植于許多植物的根瘤層，但通常不會侵入根部組織。細胞間內生共生：根瘤菌和豆科植物之間以及Frankia細菌和放線菌植物之間的互惠相互作用是研究最充分的共生固氮機制。內共生：Gunnera-Nostoc共生是一種高度進化的共生關系，其中藍藻Nostoc存在于宿主根莖組織的細胞內。共生細菌的固氮效率通常比自由生活的固氮細菌高一個數量級。自生固氮是普遍存在的，在大多數自然生態系統中，自生固氮提供的N輸入等于或大于共生固氮的N輸入。

總之，固氮細菌作為氮礦工，為植物提供大量的氮，特別是在氮有限的土壤中。相比之下，肥沃的土壤含有大量的養分，因此在很大程度上繞過了土壤微生物組的循環，特別是對礦工來說。.40年的施肥研究表明，施肥后，固氮和許多固氮類群在很大程度上受到抑制，這對生態系統功能有影響。

2.3.解磷細菌

磷是大多數生態系統中的限制性營養素，特別是在熱帶和潮濕的亞熱帶地區。解磷細菌（PSB）約占可培養細菌總數的40%，廣泛分布于土壤中。大多數解磷細菌，如假單胞菌屬和芽孢桿菌屬，集中在根際，比從其他來源分離的光合細菌代謝更活躍。解磷細菌能從不溶性無機和有機磷源中活化磷。光合細菌通過酸化（釋放H+）、螯合、離子交換、釋放鐵載體、有機酸和陰離子等途徑將無機磷轉化為有效態。.有機磷化合物被微生物和植物根系釋放的酸性和堿性磷酸酶水解。

gcd 和 pqq 基因編碼介導無機磷增溶的酶，在土壤中占主導地位，是生物可利用磷的主要終結者。一組微生物衍生酶，如酸性磷酸酶（由 olpA 編碼）、堿性磷酸酶（phoD、phoA 和 phoX）、植酸酶（appA）、植酸酶（phnX）和 C-P 裂解酶（phnJ），可以從持久性有機磷形式中釋放游離正磷酸鹽?？傊?，光合細菌作為磷礦工，以提高持久性磷形態的生物可利用性在缺磷土壤。類似于N礦工，P礦工可能是不活躍的或切換到其他功能組在密集施肥農田土壤中，因為不存在從不溶性無機和有機來源的能源昂貴的P動員的需求。

2.4.外生菌根真菌

ECM真菌與溫帶和寒帶生態系統中的森林樹木形成共生關系，包括松樹、橡樹、龍腦香樹和桉樹。ECM 真菌的菌絲通常延伸數米以上，連接寄主植物，形成廣泛的共同菌絲網絡，有利于遠距離營養輸送。ECM真菌從不同的腐食性祖先群體中進化了多次，主要包括褐腐和白腐真菌。因此，許多ECM真菌具有分解SOM和持久性凋落物化合物（例如，木質素）在一定程度上。這些兼性腐養特性使ECM真菌能夠在沒有宿主植物或宿主植物不能提供足夠C。ECM真菌通過分泌有機酸和螯合物、“褐腐”芬頓化學或使用“白腐”過氧化物酶直接從原生或次生礦物質中調動營養物質。然而，基于ECM真菌和腐食性真菌的分解活性的比較，前一組由于分解所需的許多酶的損失而總是具有較低的活性。相反，ECM真菌有更高的競爭能力比腐食性真菌的養分吸收時，C的可用性是有限的。ECM真菌的養分開采可以發生在遠離有機基質輸入的區域，與腐殖細菌居住的凋落物和SOM周圍的局部區域相反。

具有腐殖功能的基因在ECM真菌譜系中廣泛存在。一些ECM真菌，如鵝膏菌muscaria，Laccaria bicolor和著名的Boletales分支中的物種，發生或進化在褐腐真菌的并系群中。這些ECM真菌已經失去了去除有機物的遺傳能力，因此不能在沒有宿主的情況下生存。這些ECM真菌可被歸類為類似于AM真菌的清除劑。

總之，菌根共生體的類型取決于可以獲得的營養物質的化學形式。根據土壤中的養分形式，ECM真菌可以利用不溶性有機形式的養分，因此它們可能既是載體，由于它們的長菌絲或礦工支持植物的養分動員。當滿足植物養分需求所需的土壤體積大大超過根系所能獲得的土壤體積時，預計載體會大量生長和增加。相反，預計采礦者將在生物可利用資源枯竭時接替帶菌者。

2.5.叢枝菌根真菌

AM真菌是重要的地下共生菌，與80%以上的陸生植物共生，具有從共生到寄生的多種功能。其余 10%-20%的陸生植物，尤其是擬南芥等十字花科植物，已經失去了與 AM 真菌的互惠互利關系。這些植物與多種非菌根內生真菌密切互動，在貧瘠的土壤條件下通過改善營養促進宿主生長。

AM真菌是專性生物營養體，依賴于活的光合自養伴侶來產生下一代孢子。AM真菌在與宿主斷開連接時處于休眠狀態。AM真菌通過沿著其根外菌絲攜帶營養物質和微生物，促進碳和營養物質的循環，提高植物群落的生產力。具體地說，AM菌絲將根與周圍的土壤微生境連接起來，在那里根覓食限制植物生長的水或常量和微量營養素。.根外菌絲體的廣泛發育擴大了土壤體積，營養物質從土壤中通過快速途徑運輸到根部，特別是P和流動性有限的微量營養素。這樣，根部 AM 真菌的聯合體就克服了根瘤層耗竭區。當土壤養分水平極低時，AM 真菌可能會成為騙子，不再與大多數植物保持互惠關系，而是開始通過掠奪資源威脅植物生長。相反，當土壤P豐富時，植物可能從這種共生中獲得很少或沒有益處，因此AM真菌可能充當寄生物。當光照不足時，植物可能會將不足的光合產物分配給根和菌根，從而導致AM真菌對植物的益處減少。AM真菌的高度功能多樣性往往導致不同植物-AM真菌組合在植物生產力方面的對比結果。.ECM真菌也有類似的寄生現象。.此外，額外的自由基AM真菌菌絲體將植物提供的一些有機化合物釋放到無根土壤以及根不能進入的微孔（<30 μm）中。這種小的土壤孔隙和土壤團聚體的內部（Frey，2019）為以菌絲分泌物為生的特定微生物群落創造了一個菌絲生境鋪平了道路。

AM真菌在植物氮素營養中的作用一般不如對磷素的作用顯著或有益，因為土壤中的氮素主要（>95%）以有機形式儲存。AM真菌由于其貧乏的胞外酶譜而不太可能降解有機化合物。此外，AM真菌具有減少的編碼植物細胞壁降解酶的基因庫，沒有編碼纖維二糖水解酶或β-1，4-葡糖苷酶的基因。大多數參與半纖維素和果膠水解的基因家族也缺失并且不存在參與木質素降解的基因，例如II類過氧化物酶。因此，通過與AM真菌共生獲得的營養獲取策略通常被表征為“清除”，其被定義為物理探索和吸收主要可用的營養物質。AM真菌不能動員或獲取儲存在有機物質或礦物質中的營養物質。因此，AM真菌作為養分的清除者和短距離載體，支持其宿主植物在養分缺乏的土壤中的生長。

2.6. 礦工、清道夫和搬運工框架

總的來說，一個群落內的微生物群體可以分類成一個新的框架，包括三個廣泛的功能類別的土壤養分獲?。旱V工，清道夫，和載體。根據它們獲取特定營養物質的專業化程度，例如氮礦和磷礦，可以將它們分為不同的亞組。土壤還含有其他微生物，它們可以利用其他營養物質，如S, K, Fe, Mn，甚至大氣中的C固定(即自養微生物)，這在本文中沒有特別討論。當面臨一種或多種養分限制時，采礦者由于有能力投資于采礦機制而占有優勢。清道夫和載體都能運輸養分，但在效率和運輸范圍上有所不同。清道夫與植物有共生關系，使它們能夠更有效地從根際和土壤中吸收養分。相比之下，載體可以通過它們的長、分枝和絲狀菌絲將營養物質運輸到更遠的距離。新的框架強調由生理、形態或生活史特征等性狀決定的相互關聯的微生物功能，而不是專注于特定的物種。我們被限制在相當廣泛的功能群，其中包括大量的微生物共同擁有廣泛的生理能力。微生物種類繁多，即使在同一分類學隸屬關系的成員之間，也具有高度不同的生理特征。許多微生物可以在功能基團之間振蕩，這通常是對環境變化的響應。同樣的微生物物種可以同時執行所有三種功能，而不僅僅是礦工，清道夫或攜帶者。例如，ECM真菌由于其長菌絲和胞外酶而既是載體又是礦工，并且權衡可能取決于土壤養分的可用性。鑒于此，微生物群體和植物之間的相互作用可以從促進變為拮抗，反之亦然。因此，微生物群體的作用和表現可以不斷適應不斷變化的環境條件。如果微生物類群對環境變化做出響應，它們可以作為預測全球變化下微生物群落潛在變化的有價值的指標。

事實上，缺乏標準化的功能定義的微生物組限制了我們的可能性，比較結果的研究。這是由于觀察自然界中的微生物固有的困難，這些微生物通常具有很少的區別特征，并且通常不能在實驗室中培養。這可以通過生成基于現有觀察和隨后的實驗驗證的理論來最好地實現。我們可能需要從記錄與生態功能相關的微生物特征的變化開始，這些生態功能被認為是礦工、清道夫和攜帶者的定義?？偟膩碚f，與現有的生活策略概念（即，環境微生物生態學中的微生物類群（PSB、AM真菌）和競爭者-脅迫耐受者-雜草框架）的分類方法，著重介紹了根據微生物參與整個養分獲取過程的主要步驟進行分類，并反映微生物之間的相互作用。采礦者，清道夫和載體是相互關聯的，對特定過程的擾動具有滲透效應，最終影響營養物質的獲取。提出了一種評價微生物類群對土壤有機質分解貢獻的方法。他們建議根據微生物對碳源的偏好將微生物類群分類，包括初級分解者、次級分解者、被動消費者和捕食者。在他們的計劃中，初級分解者使用來自死亡植物材料的C;次級分解者依賴于微生物的壞死物質;被動消費者獲得溶解的有機C;捕食者以活的微生物為食。然而，基于功能相互作用而采用這種廣泛的微生物分類仍然很少見。

圖2

微生物相互作用的后果

綜上所述，我們推測，礦工、清道夫和載體之間的相互作用會對參與微生物的生長和活動、微生物熱點的功能性以及 SOM 的更替產生深遠影響。這些復雜的相互作用導致微生物對資源的高效利用，從而有利于植物生長。

3.1.參與微生物的生長和活性

采礦者、清掃者和運載者之間的互動會對相關群體的發展和行為產生直接影響。真菌礦工、清道夫和載體通過兩種方式調節細菌礦工。具體來說，真菌菌絲可通過向在其附近發育的細菌礦工提供水分、營養物質和來自菌絲外的 EPS 來創造好客的微生境，從而提高細菌的生長和活性。例如，Lyophyllum sp.和 F. oxysporum 菌絲體能使枯草芽孢桿菌孢子在菌絲附近發芽并隨后生長。由真菌礦工、清道夫和載體組成的菌絲體網絡可以成為細菌礦工在土壤中移動的 "高速公路"，使其能夠到達原本無法到達的營養源。菌絲體在土壤中的延伸距離很長（在可耕地、牧場和森林土壤中的長度分別可達 102、103 和 104 m g-1）。因此，真菌菌絲是細菌礦工理想的運輸途徑和支架。細菌利用真菌的菌絲，利用包裹真菌的水膜，更有效地傳播。因此，這種“真菌高速公路”機制促進了細菌在水不飽和多孔介質（如土壤）中的擴散。例如，腐生真菌Phomopsis liquidambaris幫助根瘤菌從大塊土壤遷移到花生植株的根球，從而引發花生-根瘤菌結瘤，這是沒有菌絲就不存在的。然而，盡管它具有潛在的生態重要性，但細菌在土壤中沿著菌絲體主動移動的直接證據卻非常罕見。

自然選擇應該支持自私的行為，細菌礦工當然不是絲狀真菌的“搭便車者”。原核細胞能夠促進不運動的無性真菌孢子的傳播。例如，根際芽孢桿菌渦旋類芽孢桿菌可以運輸非運動性根際真菌A的分生孢子。煙曲霉從生長條件不利的棲息地。真菌菌絲體可作為橋梁，讓渦蟲穿過空氣間隙，從而相互促進傳播，并有利于兩種生物的生命周期。微生物類群之間的相互作用可能促進微生物的遷移，這對成功的根際定殖至關重要。此外，細菌礦工還能產生某些代謝物（如揮發性化合物和植物激素），刺激真菌礦工、清道夫和載體的孢子萌發和徑向生長。例如，與AM真菌菌絲體相關的細菌通過刺激真菌根外菌絲體的發育來增加植物的磷吸收。細菌可誘發或加速真菌繁殖體的發芽，并增加根系表面的吸附性真菌的生長。細菌礦工還可以通過刺激菌絲擴展和增加根部與真菌的接觸，增加定向真菌清道夫和載體的根部定殖。這些功能可以通過細菌的礦化或其他特性來實現。

然而，在大多數環境中，資源是稀缺的，這意味著一個細胞的生存可能意味著另一個細胞的饑餓，導致對有限資源的激烈競爭，如陽光，營養物質或空間，特別是對可用的C和能量。因此，在具有重疊營養需求的微生物群體之間也存在許多戰爭。這些競爭性群落比以多重營養缺陷型為特征的高度合作性群落攜帶更多的與抗菌活性相關的基因。例如，用抗生素“治愈”生活在其菌絲內的伯克霍爾德氏菌內生細菌的根霉，導致真菌不再產生生殖孢子囊或孢子。真菌細胞壁是多糖和蛋白質的復雜混合物，其降解涉及多種細菌胞外酶。幾丁質酶活性是細菌拮抗劑的共同特征。當試圖在復雜的微生物群落中分離有益物種或將微生物群體引入土壤時，負面的微生物相互作用也是重要的考慮因素?？傊?，礦工、清道夫和攜帶者之間的相互作用可以通過促進彼此的生長和活動來最大化它們的功能，同時有害地抑制或減輕對抗性相互作用。值得注意的是，一般預計所有參與伙伴都能從大多數微生物相互作用中獲得某種形式的益處。這在互惠關系中尤其明顯，但它可能適用于所有長時間的互動。盡管有這樣的預期，目前對微生物相互作用的研究主要集中在它們的生態后果上，而忽略了每個參與者所獲得的好處，或者僅僅考察一個實體對另一個實體的單向影響。闡明參與微生物相互作用的每個功能組所發揮的特定作用可能是理解和調節生態過程的關鍵。

圖3

3.2.微生物熱點的形成

土壤遠不是一個混合良好的反應器，而是天然的非均質的，介質的地形復雜性產生了強烈的微尺度梯度。生物的空間排列以及它們感知和形成的梯度會影響微生物的相互作用和生態系統的功能。土壤中微生物活性高于一般土壤條件下的營養斑塊稱為微生物熱點。礦工、清道夫和攜帶者之間的強烈相互作用不可避免地導致微生物熱點的形成。因為單個微生物細胞不足以形成熱點。微生物熱點的形成反映了營養動員的增加和其他過程的加速。

四種途徑導致礦工，清道夫和攜帶者之間相互作用過程中的微生物熱點形成。首先，廣泛的微生物相互作用可能會增加根系生長和根際微生物沉積，從而在根際形成微生物熱點。例如，AM 真菌清道夫 R. irregularis 和細菌礦工 Alcaligenes faecalis 的相互作用增加了紫花苜蓿根部的生物量，從而擴大了根瘤層中的微生物熱點。第二，根的生長刺激微生物的生長和活性。此外，真菌礦工，清道夫和載體的菌絲和它們影響的區域形成了一個無處不在的和動態的網絡與過剩的不穩定的C，這直接形成微生物熱點通過增加細菌礦工的生物量和活性。第三，更多的微生物（細菌和真菌）生物量產生更多的死菌絲體和細胞，這是微生物壞死物質產生和SOM形成的位置，也是微生物熱點的重要來源。第四，來自垂死和死根的不穩定基質（碎屑，另一個重要的微生物熱點）的更大輸入可以進一步提高土壤中微生物的豐度和活性，導致酶熱點，其可以比根際更大，更活躍。

這四個途徑可以被概念化為一個反饋回路，因為每個組成部分都對其他相互關聯的過程產生積極的影響。根際和根際土壤中同時存在著根際和死根的微生物熱點，而根際和根際土壤中分別存在著死根和活根的微生物熱點。由于根系沉積大量的易利用有機物，根際微生物種群密度通常比非根際土壤高一個數量級。因此，根際可以代表一個更動態的前線微生物群體之間的相互作用與特定功能相比，散裝土壤，包括一個額外的球員-根?？赡苌婕暗纳锖腿齻€群體的優勢將取決于微生境。

由于方法的限制，傳統的微生物相互作用的觀察方法往往忽略熱點，從而限制了我們對微生物在時間和空間尺度上相互作用的理解。先進的成像技術已被用于識別、追蹤和可視化微生物活動，這提高了我們對根際動態的理解。例如，通過二次離子質譜（西姆斯）結合穩定同位素探測（nanoSIP）的高分辨率成像已用于解析微生物群落中的營養相互作用。通過土壤酶譜分析發現，在養分供應不足的情況下，AM 真菌和腐生生物的協同作用擴大了熱點區域，加強了根瘤層中的酶活性，從而提高了植物的適應能力。同位素標記結合單細胞拉曼光譜技術是一種基于活性的高效方法，可在不依賴培養的情況下表征功能微生物的存在和活性。微生物熱點的識別和分析，以及各種2D和3D方法的耦合，將是最有前途的揭示微生物在熱點，土壤剖面和生態系統水平上的相互作用和功能。

3.3.土壤有機質周轉

微生物相互作用的加強可同時提高新的 SOM 產量和加速分解，為微生物和植物釋放養分，從而加快 SOM 的周轉。這些礦工，清道夫和載體之間的相互作用可能會增加SOM積累通過三個過程。首先，細菌采礦者的副產物(如EPS、糖蛋白和粘液)、腐養真菌和AM真菌的菌絲和纖維根結合在一起，形成一個“粘繩袋”，穩定微觀和宏觀聚集體從而物理保護有機物。例如，AM真菌與固氮細菌（N-miners）的相互作用增加了土壤水穩性團聚體和SOM含量，導致荒漠生態系統的恢復。其次，由于大量同化物分配給根毛、根外菌絲和微生物的發育，微生物的相互作用增加了根沉積，是形成有機質的關鍵因素。例如，腐養細菌采礦者通過ECM真菌的菌絲載體增加了從根到大塊土壤的碳流量。最后，這些相互作用有助于微生物的生長和死亡，導致壞死物質的形成，營養物質（N，P，S）和C被回收，而殘留物則以SOM的形式存在（圖3c）。在集約施肥的農業生態系統中，90%以上的養分也通過微生物轉化為有機物。

四種類型的微生物相互作用可以加速SOM的分解。第一種類型，涉及 AM 真菌清除劑，通過刺激微生物礦工的生長和活動，增加根瘤沉積，引發根際啟動效應。例如，AM真菌清除劑通過釋放不穩定的底物，為Talaromyces和假單胞菌等微生物礦工生產酶提供能量，從而加速凋落物、SOM和植酸礦化。第二種類型涉及細菌和真菌礦工，它們具有各自的胞外酶能力和優勢。這些微生物礦工共同努力，擴大基質分解譜，并通過其特定的生命策略刺激SOM礦化。例如，細菌礦工在富含高質量基質的環境中茁壯成長，而真菌礦工在后期演替階段占主導地位，當容易獲得的資源耗盡時。第三種類型的真菌載體和細菌礦工之間的相互作用克服了空間生態位分化加速SOM分解。微尺度土壤異質性通過增加物理分離、限制運動性和降低水文連通性來限制微生物之間的相互作用。當真菌載體的菌絲在土壤中重新分配有機物時，它們會提供資源和物理結構，幫助將細菌礦化物分散到根瘤層、殘渣層或其他熱點以外的活性礦物質場所。例如，絲狀真菌有助于細菌礦工滲透到腐爛的垃圾中，在那里，特定的結構聚合物被降解為低聚物和單體。第四種類型是基于擔子菌和子囊菌產生用于分解復雜聚合物的氧化酶的優異能力的真菌礦工（fungal miners）。例如，在一個實施例中，木質纖維素），而其他真菌載體吸收并運輸這些分解產物到它們的位置。.例如，腐解真菌加速凋落物分解，從而通過ECM真菌載體增加植物養分吸收?？傊?，基于功能互補性的礦工、清道夫和載體之間的相互作用加快了 SOM 的周轉和養分釋放，這些養分將被輸送到植物根部。

總之，礦工，清道夫和載體的框架提供了一種基于生物化學過程中涉及的勞動分工對微生物進行分類的方法。雖然我們主要集中在三個主要的微生物類群在植物養分獲取方面，基于生態功能的分類原則也可以應用于植物適合度的其他關鍵特征，如土傳病原體的生物防治，對干旱和鹽脅迫的適應性，以及污染土壤的微生物修復。在生物化學過程和生態系統功能中建立一個統一的微生物相互作用的概念模型的前景是令人興奮的。這將有助于根據目標選擇關鍵的模塊方法，并解釋或預測生態過程。由特定微生物組執行的單個功能步驟可以很好地分解并按順序進行研究。

微生物相互作用的理論基礎

理論基礎解釋了微生物相互作用如何形成一個涉及復雜物理關聯和分子通信的穩定系統（圖4）。在下面的小節中，我們總結了這些理論基礎，以了解礦工，清道夫和載體如何在土壤中相互作用。

4.1.粘附和生物膜形成

微生物可以附著在一系列生物和非生物表面（包括真菌菌絲），這通常是建立微生物通訊橋梁的基本初始步驟。土壤微生物的物理附著是一種普遍存在的現象。例如，氮礦根瘤菌經常附著在AM真菌Gigaspora margarita的菌絲上。這種附著在AM菌絲上的能力取決于細菌，并受到菌絲生理階段的影響.。粘附連接微生物群體以防止胞外酶和水解產物的損失。.細菌也可以沿著沿著生長的菌絲移動更長的距離到達新的食物來源。在礦工、清道夫和攜帶者之間的粘附可能是弱的、短暫的和可逆的。與大型生物類似，當(微生物)生物相互接觸時可能會發生捕食。例如，在各種真菌噬菌性細菌中，廣泛存在粘附并以活的腐食性真菌菌絲為食的現象。此外，某些真菌可以在其他真菌上生長、進食和繁殖（即，真菌寄生），導致后者死亡。

當條件有利于真菌或細菌生長時，微生物種群增加，形成多細胞小菌落。這些小菌落隨后生長并發育成生物膜。在真菌菌絲上形成生物膜的能力在細菌礦工中廣泛共享。生物膜內的多種微生物物種從共生（“孤獨者”）存在轉變為基于群落的存在，這大大增加了它們與附近微生物相互作用的可能性。隨著生物膜的成熟，多糖、蛋白質和 DNA 由微生物聯合體共同分泌，形成胞外聚合物物質（EPS，方框 1），作為生物膜基質的支架。EPS 負責細胞的凝聚，使微生物采礦者、清掃者和載體之間能夠進行細胞互動。EPS凝膠對于微生物聚生體的生存是必不可少的，并為它們的代謝活動提供了理想的環境，包括化學反應、營養截留、以及對環境脅迫的保護，例如pH突然變化、干旱、排水和營養耗盡以及土壤表面的紫外線輻射。因此，生物膜作為允許多任務處理的共享空間，增加了礦工、清道夫和攜帶者之間的代謝物或酶的交換，并減少了代謝產物的大量擴散損失。然而，生物膜內的微生物并不和諧地一起工作。生物膜內密集的細胞群導致對底物、營養物和生物素受體的激烈競爭。抗生素分泌、毒素直接注入相鄰細胞、以及置換或窒息相鄰細胞的機制，都以消除競爭對手為目標，并可顯著改變生物膜的組成。最終，微生物體被釋放并離開生物膜以定殖新的表面，從而啟動新的生物膜生命周期。

總之，由于物理粘附和生物膜形成，微生物彼此接近，克服了空間限制，并為礦工，清除者和載體之間的相互作用提供了至關重要的基礎。微生物局限于很小的微生物棲息地，其所占土壤體積遠小于1%。因此，與水生環境中常見的現象相比，廣泛生物膜的形成在土壤中并不普遍。

4.2.營養相互作用

微生物相互作用的核心是分子對話，包括營養相互作用、特異性信號傳導和基因轉移。.營養相互作用在微生物群落中廣泛存在，形成了它們組裝的基礎。營養相互作用是指清道夫、礦工和攜帶者之間代謝物的相互交換，以補償代謝限制。一種常見的營養相互作用是共享公共物品，如胞外多糖、表面活性劑和胞外酶，它們由微生物釋放到環境中，作為整個種群的營養自助餐。如果提供公共產品以換取其他回報，這些互動就可以持續下去。.例如，ECM真菌可以產生有機酸或糖，如海藻糖，其可以加速相關細菌礦工的生長，從而增加營養物質的可用性。.反過來，ECM真菌雙色蠟蚧的幾種輔助細菌分泌檸檬酸和蘋果酸，這些酸被真菌代謝，刺激其生長。

然而，如果這些公共物品被機會主義微生物捕獲而不付出代價，作弊者就會威脅到互惠的持久性。自養型AM真菌是土壤中最突出的例子，它可以通過竊取其他微生物產生的胞外酶的水解產物而在沒有宿主的情況下長期存活。參與互養伙伴關系的微生物之間的代謝合作允許利用兩個物種都不能單獨代謝的新底物。例如，真菌 Fusarium culmorum 能誘導 Serratia plymuthica 細菌的多種基因和蛋白質的表達，包括產生一種以前未知的萜烯--sodorifen，它對真菌與細菌之間的遠距離通訊非常重要。最后，在微生物群落中，交叉取食的相互作用也非常普遍。例如，AM 真菌會向土壤中釋放大量植物來源的易得 C，從而引發 P 礦工 PSB 的生長和活動。反過來，P礦工礦化有機P，增加AM真菌清除劑的P可用性。氨氧化微生物（AOM）氧化氨產生亞硝酸鹽，亞硝酸鹽氧化細菌（NOB）將其轉化為硝酸鹽。NOB將尿素轉化為氨，氨又被AOM吸收。這種聚生體間的交叉喂養，減輕了個體成員的代謝負擔，使微生物間的相互作用更加穩定。然而，許多微生物物種分泌化學化合物來抑制甚至殺死環境中的微生物對手。絲狀真菌是一種具有抗真菌活性的低分子量次生代謝產物，其主要成分為乙酰膠毒素和透明樹素等。細菌還產生代謝產物，包括抗生素和酶，具有廣譜活性，可對抗與植物發生學無關的真菌植物病原體。鏈霉菌因其產生寄生蟲的潛力而特別出名。細菌也進化出了復雜的策略，通過分泌鐵載體來螯合鐵，隨后改變了鄰近對手微生物的生長。總體而言，礦工，清道夫和載體之間的營養相互作用是驅動微生物群落共存和調節生態系統功能的主要力量。

4.3.特定信號

許多微生物之間的相互作用都受到特定信號分子的調控，這些信號分子使微生物能夠識別其他成員，就食物來源和敵人進行交流，對環境做出反應并激活特定的生化過程。信號分子對于微生物的生存不是必需的，但它們是微生物生長和行為的重要調節劑。AM真菌清除劑分泌的果糖等可溶性代謝產物不僅是光合細菌的碳源，而且還作為信號物質刺激光合細菌磷酸酶基因的表達。磷酸酶活性隨后加速有機磷（即，植酸鹽）礦化和模擬磷酸鹽刺激AM真菌的磷吸收。細菌肽聚糖誘導白色念珠菌菌絲生長，而白色念珠菌的存在。白色念珠菌代謝產物法尼醇可通過影響細菌群體感應調節銅綠假單胞菌毒力基因的表達.

由微生物菌群產生的揮發性有機化合物（VOCs，特別是萜烯類化合物）是一類重要的信號分子。揮發性有機化合物通過充滿氣體和水的孔隙擴散，并將具有不同空間小生境的微生物成員連接成更大的種群網絡。因此，揮發性有機化合物更有利于長距離的信使在土壤中充滿空氣的孔隙，而可溶性代謝產物更有利于短距離的相互作用和直接的細胞與細胞的接觸。例如，真菌礦工深綠木霉釋放的VOC增加了熒光假單胞菌中生物控制基因（phlA）的表達。細菌揮發性有機化合物也刺激禾谷縊管蚜和隱地疫霉的生長。.假單胞菌屬、沙雷氏菌屬或鏈霉菌屬等細菌也能產生VOCs，抑制多種植物相關真菌的生長。這些VOC介導的微生物之間的對話是雙向和多向的。然而，為什么微生物會投入昂貴的資源來影響其他個體，而不利用這些VOC來最大限度地提高其適應性，其背后的原理仍然不確定。大多數關于VOCs的研究只集中在描述單個生物體產生的VOCs的單向效應和生物體感知它們的反應。此外，信號的分散使它們能夠到達許多相鄰的小區和社區，而不是一次只能到達一個小區。這是微生物聯合體之間高效互動的重要驅動力?？傊?，通過特定的信號傳遞進行細胞間通信，對于同步礦工、清道夫和載體之間的功能至關重要。

4.4.水平基因轉移

水平基因轉移（horizontalgenetransfer，HGT）是指從鄰近生物體轉移DNA分子獲得新基因的過程。這一過程增加了微生物參與更廣泛代謝反應的潛力。物理關聯是礦工、清道夫和載體之間發生 HGT 的前提。細菌礦工通過轉導、轉化或接合具有高HGT率的潛力。隨著越來越多的基因組序列的出現，從細菌到真菌的天然HGT的證據越來越多。例如，煙曲霉中40%的假定橫向基因轉移是細菌來源的。對60個真菌基因組的分析和測序鑒定了713個可能通過HGT事件轉移的原核基因。然而，從真菌到細菌的HGT并不常見。當整個基因或一組基因在個體之間轉移時，特別是在遠親個體之間，一個性狀可以迅速在種群中傳播。因此，微生物間的HGT可能是礦工、清道夫和攜帶者產生遺傳變異和獲得新生物學功能的中心機制。然而，HGT在微生物中的發生和發展是隨機的，因此非常不可預測。

來自許多生態系統的數據表明，微生物競爭是普遍存在的。微生物群體是在很大程度上以最小的沖突合作生活，還是不斷地在攻擊和反擊的戰場上交戰？什么時候合作？關于哪些機制決定微生物在微生物互作中的表現，我們的知識有限。這可能部分是由于高度豐富和多樣的微生物群之間的積極和消極的多重相互作用的抵消作用，混淆了對觀察結果的解釋。因此，從過程的角度獲得對微生物組間和組內相互作用的清晰理解可以更好地預測微生物行為，并促進環境和農業目的的微生物群落的控制和操縱。

研究微生物相互作用的方法和可行的工作流程

研究在各種環境條件下參與復雜微生物相互作用的微生物物種的生態學和生物學作用是目前的一個主要挑戰。在簡單的實驗室環境中，可以在低復雜度系統中識別清道夫、礦工和攜帶者之間的相互作用，并且可以通過成對相互作用、合成微生物群落（Syn mycoms）和網絡分析將結果逐步擴展到更復雜的自然生態系統。