导读
土传病原细菌严重威胁土壤-植物系统健康和农业可持续发展。在接触和入侵寄主植物根系之前，病原细菌会经受土壤pH、含氧量、营养物质种类和数量等非生物因素骤变以及其他土壤微生物的竞争、寄生和捕食等生物胁迫。病原细菌的生物膜形成、代谢、运动、毒力、DNA修复以及对噬菌体、抗生素或环境压力的抵抗能力等特性对其在土壤环境中生存和侵染寄主非常重要。为适应复杂且多变的土壤生物和非生物环境，病原细菌必须动态权衡其生存和致病力之间的关系，维持其生存、传播、增殖和侵染致病间的平衡，以最大化其在土壤环境中的适应性。系统理解土传病原细菌应对胁迫和侵染寄主植物的过程及权衡机制是建立精准、高效生态防控手段的关键。为此，以土传病原细菌为代表，总结了土传病原细菌生存与致病的权衡规律和典型现象及土壤中的生物和非生物影响因素，阐述了土传病原细菌入侵植物根际过程中的生存与致病权衡机制，并提出一些与土传病原细菌生存与致病权衡相关的科学问题，呼吁建立基于生存-致病权衡理论的土传病害生态防控策略，为绿色农业可持续发展提供理论参考。
作者：韦中，王佳宁，江高飞，王孝芳，徐阳春，沈其荣（江苏省固体有机废弃物资源化高技术研究重点实验室，作物免疫学重点实验室，国家有机类肥料工程技术研究中心，江苏省有机固体废弃物资源化协同创新中心，南京农业大学资源与环境科学学院，南京）
来源：土壤学报（年第59卷第2期）
由土壤病原细菌引起的植物土传病害日益引起人们的重视。常见的土传病原细菌有引起番茄、烟草等茄科作物青枯病的青枯菌（Ralstoniasolanacearum）、诱发豆科作物产生冠瘿瘤的根癌农杆菌（Agrobacteriumtumefaciens）和导致甘薯茎腐病的达旦提狄克氏菌（Dickeyadadantii）[1]。土壤是植物土传病原细菌生活史循环中的重要生境，当不存在寄主植物时，病原细菌可通过改变细胞状态在土壤或水环境中存活数年之久[2-4]；一旦感知到寄主植物信号，便会从土体向根际及寄主根系迁移，进而定殖根表和吸附植物皮层，随后分泌致病因子穿透木质部，进入寄主体内繁殖，最终随着寄主植物的死亡再次返回土壤环境[3，5]。化学农药、抗病品种和生物防治等手段尽管在病害防控中有较好的潜力，但对于土传病害，其应用效果和稳定性通常受土壤条件的影响[6]。由病害发生三要素可知，病原细菌的成功侵染离不开易感寄主和适宜病原菌发挥致病毒性特征的环境因子。在入侵寄主的过程中，土壤中的病原细菌会经受温度、pH、含氧量、营养物质种类和数量等环境因素的骤变、土著微生物空间与资源竞争、原生动物捕食、噬菌体寄生以及寄主植物分泌抗菌物质等生物胁迫。为达到增殖和传播的目的，病原细菌必须在不断变化的环境中时刻协调生存和致病之间的权衡关系。了解土壤病原细菌适应环境变化的机制对于掌握其传播、扩散和侵染规律有重要意义。
目前，人们对病原细菌与寄主植物的互作机制以及对病原细菌生存和致病能力的影响因素已经有大量的研究和总结[7-8]，但是对于从土壤存活至根表入侵这个过程中土壤环境因素对病原细菌生存-致病权衡尚缺少系统的梳理和思考。本文首先总结了土传病原细菌的生存-致病权衡规律和典型现象，归纳了土壤非生物和生物因子对病原细菌生存-致病权衡的影响；其次阐述了土传病原细菌在植物根际入侵过程中的生存-致病权衡机制，并提出一些土传病原细菌生存-致病权衡相关的科学问题。呼吁基于生存-致病权衡理论，建立降低环境中病原细菌丰度和毒性的土传病害生态防控策略，为防控其他土传病原体（如病原真菌）、实现绿色农业可持续发展提供理论参考。
1土壤病原细菌的生存-致病权衡
1.1病原细菌的生存-致病权衡规律
年达尔文在《物种起源》中提到歌德的补偿法则：“Inordertospendononeside，natureisforcedtoeconomiseontheotherside”——自然在一处开支，就被迫在另一边节省[9]。不同特征间的负相关关系称为权衡（Trade-off）。权衡效应在动植物领域得到广泛的认可，研究人员认为动植物将有限的资源用于繁殖或者生存是造成权衡的原因，因此，权衡效应的核心是资源配置[10]。权衡效应在微生物界同样适用：一种细胞特性分配的资源多，那么其他特性配置的资源相对减少。微生物特别是病原微生物（病原细菌）具备诸多特性，如生物膜形成、代谢、运动性、毒性、DNA修复能力以及对噬菌体、抗生素或其他胁迫的抗性等，而不同特性之间很可能存在负相关关系。微生物本身的细胞资源、膜蛋白结构和遗传信息储存及处理能力是有限性的，很难同时将不同特性最大化，因此在不同环境条件下表现出了一种特性增强而另一种特性减弱的权衡现象[11]。病原细菌和非致病细菌的区别在于病原细菌能否分泌损害寄主健康的毒性因子，比如可堵塞植物输水系统的胞外多糖、降解植物细胞壁的降解酶、破坏植物免疫的Ⅲ型效应蛋白等[12]。除了与植物互作时发挥直接作用的毒性因子外，一些毒性特征的表达在整个植株发病过程中也十分重要，例如趋化性、运动性、铁载体的分泌和生物膜的形成等决定着病原细菌能否成功入侵寄主根际[12]。权衡是微生物适应环境的基本策略[11]，生存-致病权衡对土传病原细菌适应不断变化的土壤-植物环境非常重要。根据权衡理论，当生存条件适宜，病原细菌不需要启动高成本的抗胁迫机制，从而能将更多的资源分配给生长、繁殖、毒性因子等高成本的特性，进而提高病原细菌的致病性；当胁迫增强时，病原细菌必须提升其抵御胁迫能力以保证自身的生存，这通常伴有细胞结构改变导致的资源摄入能力降低、毒性基因丢失、毒性基因表达准确度的降低以及有害突变的增加等[11]，即生存成本提高，这样分配给生长、繁殖、毒性因子的资源相对减少，即表现为致病能力下降（图1）。
1.2土壤病原菌生存-致病权衡的典型现象
1.2.1存活但不可培养状态当遭遇极端环境胁迫时，细菌会进入存活但不可培养状态（viablebutnon-culturable，VBNC）。在这种状态下，细菌的细胞完整，但呼吸、代谢活性降低，因此VBNC被认为是细菌应对胁迫的一种自我保护机制[13]。进入VBNC状态后，植物病原细菌会丧失致病能力，如青枯菌[14]、根癌土壤杆菌[15]、十字花科黑腐病菌（Xanthomonascampestrispv.campestris[16]）、柑橘溃疡病菌（X.axonopodispv.citri[17]）和火疫病病原菌（Erwiniaamylovora[18]）等。VBNC状态的诱导因素有很多，如不适宜的温度、pH、光照、氧气不足、高盐环境、干燥和重金属胁迫等[19-20]。一旦生存条件适宜或存在诱导物，病原细菌可从VBNC状态复苏并恢复致病能力。据报道，4℃的低温条件可诱导青枯菌进入VBNC状态[14]，但当VBNC状态的青枯菌靠近寄主植物根系后能复苏，且能继续侵染植物[21]。火疫病病原菌在硫酸铜的胁迫下进入VBNC状态；将VBNC状态的火疫病病原菌接种至寄主植物后，发现植物发病症状显著低于未受胁迫的病原菌处理；不过复苏后的病原菌的致病性却与正常状态下的病原菌致病力相当[18]。由于检测难度大，VBNC状态的病原菌是农业生产的一大隐患。
1.2.2表型转换微生物会通过改变表型来增加种群多样性，从而增强对环境的适应性[22]。该现象常见于人类病原菌或病原真菌入侵寄主过程中，通常伴随着毒性的改变[23-24]。在土传病原细菌中，野生型青枯菌在土壤、静止液体和琼脂平板的长期培养[25-30]条件下菌落形态会发生变化，即从黏液态转变为非黏液态（图2）。这个过程称为青枯菌的表型转换（phenotypicconversion，PC）[31]，转换后的青枯菌不能引起宿主发病[23，31-32]。已经探明青枯菌的phcA毒性网络系统调控表型转换，通过群体感应调控青枯菌生存与致病的权衡。在资源充足的情况下，青枯菌种群数量累积，当种群密度达到一定的阈值时启动phcA毒性系统表达，上调一系列毒性因子，如EPS（胞外多糖）、植物细胞壁降解酶、III型分泌系统等。但当资源有限时，种群数量降低，phcA受抑制，毒性减弱，但是资源利用能力、运动能力和种群增长速率均增强[33]。有研究表明，在适宜条件下，PC突变体还可转变为野生型菌株，从而恢复其致病能力[34]。但是这种现象在自然环境下尚未见报道。
2驱动病原菌生存-致病权衡的主要土壤因素
2.1非生物因素胁迫
土壤非生物因子的变化对土壤病原细菌生存与致病能力的影响较大。众所周知，土壤温度、养分浓度、pH、水分和氧气条件等会随着季节、天气或是有无植物而发生瞬时剧烈或漫长微弱的改变。在遭遇非生物胁迫时，微生物将细胞资源优先分配给高成本的胁迫应激保护机制，削减细胞增殖所需资源[35]。对病原细菌而言，对自我保护机制的高投入可能会导致减少甚至停止毒性因子的表达。例如，因环境温度过低而进入VBNC状态时[14]，病原细菌对pH、重金属、高温、抗生素等物理和化学胁迫的抗性水平显著提高[36-37]。此时，病原细菌虽然具备致病的潜力，但不能引起寄主发病[38-40]。养分资源匮乏也是迫使病原菌权衡生存和毒性表达的常见环境胁迫因素。携带和表达毒性因子成本高昂，当营养资源匮乏时，病原细菌可能启动寡营养物质运输系统，以增加在群落中的优势，比如无毒性的PC型在贫营养条件下较有毒野生型的青枯菌生长更快，对铁离子的利用效率更高[33]。病原细菌也能通过丢失致病基因来增加在贫营养条件下的竞争力[41]。若养分资源极度匮乏不足以支持稳定生长时，大多数微生物会停止分裂而进入生长停滞阶段[42]。环境胁迫过强可能会破坏遗传信息的稳定，从而导致毒性基因难以表达。例如氧化、酸性和高温胁迫条件会影响DNA结构的稳定性，降低达旦提狄克氏菌的主要毒性基因——果胶裂解酶基因的表达[43-44]。
2.2生物因素胁迫
病原细菌在土壤中应对寄生、竞争和捕食等生物胁迫提升生存能力的同时，可能会被迫调整自身的致病能力。例如，细胞表面鞭毛是常见的噬菌体受体[45]，同时也是病原菌的重要致病因子[46]。面对噬菌体裂解侵染胁迫，微生物会通过修饰、丢弃、改变其细胞表面的噬菌体受体，提高对噬菌体的抗性，但鞭毛致弱导致运动能力降低，进而降低其致病能力[47]。此外，一些病原菌的噬菌体受体与吸收营养物质有关，所以通过破坏受体而获得噬菌体抗性的突变体会降低其营养吸收，从而减弱其竞争能力[48-49]。同营养级内的其他微生物不仅可通过争夺营养和空间间接影响病原菌的致病能力，还能产生抗生素类物质直接影响病原菌的生存。病原细菌的一些抗性一般是通过染色体突变获得，并涉及关键基因的修饰，以及质粒复制和质粒基因的表达等影响其代谢水平，最终导致抗性菌株生长速率下降、竞争能力减弱[50-51]；另一些抗性是通过改变细胞膜渗透性获得，如大肠杆菌孔蛋白通道能同时渗透营养和抗生素，降低抗生素渗透速率、提高抗生素抗性的同时，其资源摄取速率也随之降低，导致生长减缓[52]。此外，土壤中的有益菌还能通过分泌的挥发性有机物（volatileorganic
