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综述速递 | 从分子水平深入了解植物与微生物的相互作用,以实现环境污染的可持续修复


上海天昊生物

 
 
 
由于快速工业化原因,水资源中有机和无机污染物不断增加。近年的研究表明,植物根际微生物和内生菌在多种污染物的修复中发挥着重要作用。元组学(Metaomics)技术较传统方法的优势逐渐显现,因为它们能够获得植物根际微生物群落的详细信息,包括不可培养的一些微生物。转录组学、蛋白质组学和代谢组学有助于揭示植物-微生物相互作用机制及其在污染物修复中的协同作用。对元组学数据的深入分析有助于人们理解植物和微生物之间各种代谢活动的相互关系。
这篇综述全面地讨论了组学应用在环境污染修复中的最新进展,以便更好理解修复过程中植物-微生物相互作用的机制。它扩展了关于植物-微生物群间信息的传递,强调了它们的遗传、生化、物理、代谢和环境相互作用。
 
 

 
 

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英文题目:Molecular insights into plant–microbe interactions for sustainable remediation of contaminated environment
期刊名: Bioresource Technology
发表时间:20221
影响因子:9.642JCR分区:Q1


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背景介绍


    植物修复技术(Phytoremediation)被证明是一种有效的治理环境污染的方法,而植物-微生物相互作用在应对污染物解毒过程中起着关键作用。植物根际微生物群受次级代谢物释放的影响,它可以刺激根际微生物的生长。据报道,几种次生代谢物,特别是植物中的挥发性有机化合物,会在地下积累,以诱导有益微生物的生长,在植物根际范围创造独特的环境。例如,植物根释放的黄酮类化合物在促进植物-丛枝菌根群落的孢子萌发、菌丝生长和根定殖方面发挥着重要作用。类黄酮还被认为是一种化学诱导剂,可以促进宿主特异性根瘤菌的生长。丛枝菌根真菌通过降低根际毒性促进植物生长和养分吸收。真菌、促生细菌和根瘤菌等大型微生物群落可以释放各种挥发性有机化合物,有助于促进植物生长,这对成功的植物修复至关重要。尽管植物修复提供了很大的希望,但它还尚未形成可行的处理系统,因为其对有机污染物的去除效率因其浓度和类型而异,并且植物的生存能力因季节和种植介质的类型而异。植物修复系统的性能可以通过使用共处理微生物接种和养分循环供应来提高。植物修复促进剂,如解磷细菌、生长激素和渗透促进剂,可用于提高污染物的积累速度。对这些植物修复促进剂种类及其最佳掺入比例研究,可能会增加植物修复的潜力。新兴污染物(Emerging contaminantsECs)对环境保护构成了重大挑战,因为这些ECs对目标和非目标生物具有生态毒理影响。在最近的一项研究中,大型植物,如黄菖蒲和附生生物膜群落,为新兴污染物的降解提供了更大的根表面积。植物微藻群落也报告了对新兴污染物的强化去除作用。
 
超富集植物和某些真菌的结合有助于水中持久性污染物的处理。下一代测序(NGS)和液相色谱-质谱(LC-MS)的应用在理解植物修复过程中的植物微生物相互作用方面发挥了重要作用。元组学工具中下一代测序技术的进步提高了生物科学研究的进展速度。除了能够对微生物群落进行分析,基因组技术还保留了形成这些生物的非生物和生物胁迫因素的图谱。这些组学方法可用于监测植物根际微生物组的快速变化。
 
在这篇广泛的综述中,对元组学技术进行了深入的分析,以便更好理解植物和微生物之间各种代谢相互作用的相互联系。此外,还讨论了与植物微生物研究如何揭示植物、其微生物及其环境之间的遗传、生化、物理和代谢相互作用有关的综合信息。此外,深入探讨了最近用于改善有机和无机污染物植物修复的组学工具。
 
1.1、植物-微生物合作解决环境污染
通过利用植物和促进生长的根际生物之间的协同作用,可以加速污染物的修复和环境清理。植物根部的伴生生物使其宿主能够吸收养分,增强其对植物病原体和害虫的抵抗力,并通过产生植物激素来帮助调节植物生长。此前有报道称,根分泌物促进根际相互作用,如植物和微生物之间以及微生物和微生物之间的相互作用。积极的植物-微生物相互作用包括植物和植物促生根细菌(PGPR)、菌根真菌和附生植物之间的协同作用。这些微生物为植物提供了许多有益的效果,例如抑制疾病、增加营养物质的可获得性和吸收、增强对非生物和生物胁迫的免疫力,从而提高植物的生产力。反过来,植物通过根分泌物向根际微生物提供养分、底物和信号分子,从而增加根际微生物种群和活性。根际微生物负荷的增加有助于根际有机污染物的生物降解,这就是所谓的根际效应。微生物高效降解不同结构和性质的各种污染物,有效增强植物修复的全过程。
 
1.2、微生物辅助植物修复环境污染
根际降解揭示了植物-微生物复合体在修复污染水方面的重要性。根际相关细菌和内生细菌可以在不引发感染的情况下,栖息于宿主植物内部,在各种污染物的绿色修复中发挥着重要作用。植物和微生物已经建立了几种处理有机和无机污染物的方法。根系渗出是植物修复过程中的一个重要现象,因为它们在根际区域的养分动员中起着至关重要的作用,并有助于植物的养分获取策略。根分泌物是植物产生的主要和次要化合物,含有挥发性、水溶性和不溶性酚类化合物、糖、有机酸、氨基酸、类黄酮、某些酶和核苷酸。有机化合物通过生物过程消除,如生物吸附、生物累积和生物降解。在幼根发育过程中,有机污染物和水进入没有角质层的根毛细胞。植物可以通过几种方式吸收有机污染物,包括在灌溉过程中通过根组织转移、扩散或离子部分吸收,以及通过挥发化合物的沉积。
 
木糖氧化无色杆菌菌株F3B有助于湿地植物芦苇和水蕹菜耐受芳香化合物的胁迫,并改善酚类污染物的植物降解。PGPRs如巨大芽孢杆菌、孟氏假单胞菌、嗜铬固氮菌和根内噬菌已被成功用作蚯蚓粪便生物接种剂,通过促进香根草(即香根草)的生长来回收受盐影响的根际微生物。生物接种剂处理的植物表现出根际有机碳与植物生物量生产、磷、氮之间的正相关关系,根际养分含量得到提高。
 
偶氮螺菌是一种突出的植物生长促进剂,也是植物-微生物相互作用的常见模式,对多重机制假说有很大贡献。已知在固氮螺菌与植物的相互作用中存在几种机制,包括产生植物调节酶、几种植物激素、固氮、增强膜活性、溶解磷酸盐、产生密集的根系、增强水和矿物质吸收、缓解环境压力以及控制可能对宿主植物有益的病原体。底栖蓝细菌微球菌有助于盐水的生物修复和再生,因为它以多糖的形式产生胞外生物絮凝剂。粘土颗粒的絮凝和进一步沉降将盐水的酸碱度从3提高到10.5,这是一种通过让光线穿过沉积物-水界面来恢复高盐条件的方法。鞘氨醇通过几种机制生物转化重金属,包括酶解毒、细菌铁载体、生物吸附和主动外排转运。

 

 

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植物-微生物相互作用的分子和生化机制


2.1、使用组学方法研究植物-微生物相互作用的概述
植物-微生物的相互作用对根际生物化学循环具有非常重要的作用。植物为细菌、病毒、真菌和线虫等微生物的生长提供了一系列生态位,统称为植物微生物群。这种微生物群可能与宿主植物建立复杂的关系,从而有助于提高植物在自然环境中的生存优势。
 
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1、使用组学方法研究植物-微生物相互作用概览图

 

在有植物存在的植物修复过程中,来自水、根际和空气的有害污染物(无机和有机)的减少得到加强。然而,对植物增强这些去除过程的机制并不完全清楚。研究表明,具有代谢活性和污染物降解途径的细菌可以通过代谢有害污染物来提高植物对有害污染物的耐受性。在各种工业环境中,研究植物-细菌相互作用以利用能够恢复污染环境的细菌是一个不断扩展的领域,其中通过将不同的细菌培养物应用于植物可以提高生物量生产。尽管植物-细菌合作关系已被广泛研究,但大多数研究都集中在固氮或植物-病原体相互作用上。最近,许多研究表明,接种细菌群落在不同植物中的有效定殖显著提高了植物修复效率。在普通污水处理厂(CETP)的整个生物处理过程中,一个微生物群落参与了有机工业废物的氧化代谢,而在CETP期间建立的细菌种群对于工厂的有序运行至关重要。这些植物通常是暴露的结构,生物处理依赖于大量的细菌物种和原生动物,它们一起生长形成一个群落,最终将污染的废物转化为生物质、二氧化碳、氨和某些毒性较低的新化合物。
 
事实上,传统的大多数关于植物-微生物相互作用的研究都只考虑次要信息,包括农业病原体和营养共生体。然而,在过去的二十年里,创新的测序技术揭示了不同的微生物群存在于大多数非无菌植物中。先前的研究集中于使用分子技术来识别重要的细菌物种,尽管理解这些细菌群落的累积功能能力具有挑战性。此外,即使随着分子技术的出现,也没有研究能够将遗传序列与微生物功能和有效的处理联系起来。然而,在群落水平上调查底物利用分析的研究有助于阐明整个微生物群落对污染物绝对降解的贡献。微生物群落的功能多样性可以定义为它们在数量、形式、活性和基质利用率方面对水、堆肥、废水系统和几种污染环境中存在的不同污染物的数量。2005年,下一代测序(NGS)技术被引入科学领域,这随后增加了研究人员对微生物、植物和微生物-植物相互作用的理解。这些NGS技术显著影响了测序和基于DNARNA的分析技术,这有助于回答之前无法确定的未解决问题,主要是由于资金和技术限制。微生物群代表与各种不同环境相关的微生物群落。因此,目前对植物-微生物相互作用的理解比以往任何时候都更加迅速和深刻。
 
近年来,通过高通量测序技术已经观察到一系列微生物,这些微生物众所周知存在于植物和邻近环境的地上部分和内部。植物和微生物组之间有一个重要的联系,可以通过高通量分子方法结合组学数据集来揭示(2)。因此,由于组学技术的进步,宿主和植物与特定病原或有益微生物相互作用的研究可能会扩大。

 

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2、通过对根系分泌物和根际微生物组比较和多组学分析来研究微生物和植物相互作用

 

2.2、根际和内生菌的宏基因组分析

新技术的应用帮助科学家区分了环境中不同微生物种群的细菌多样性。微生物学中有几种分子方法,包括PCRRNA测序和克隆、RFLP、荧光原位杂交和变性梯度凝胶电泳。16S rRNA基因被用作研究微生物多样性的标记,因为该基因在微生物群落长时间的进化过程中一直较为保守。因此,这项技术有助于研究细菌种群和古细菌,以揭示微生物的分类分布和进化。生物学家已经建立了几种表征和鉴定细菌培养物的方法。扩增子基因测序是使用16S rDNA分析细菌多样性的方法之一。宏基因组技术可以发现微生物群落基因水平的改变。尽管这些技术可以发现微生物群落发生的遗传变化,但其也面临一些挑战,包括采样异质性、规模连接性、适当的选址和保持根际特征。此外,植物生长的微小变化会影响营养浓度不平衡或干旱等变化,这些会对微生物群落造成结构和功能变化。宏基因组检测流程包括环境DNA分离和文库构建和筛选,然后是分离的宏基因组DNA测序和分析,提取关于环境样品特征的解释性数据,来对特定环境中微生物进行表征分析。

 

454MiSeq平台组成的NGS技术有助于识别多方面的微生物网络,以及微生物群落与其相应生态位功能之间的关系。因此,这项技术有可能彻底改变环境微生物学。宏基因组学考虑对包含未知生命形式组合的环境模型进行序列分析;通常,许多不能培养或不可培养。一些研究人员发现根际含有大约4 × 106个改变的微生物分类群,而一些研究人员指出,1 g根际样品中存在100多万种不同的微生物。根际中观察到的微生物差异和数量是巨大的,但是缺乏关于它们多样性的详细数据。许多研究人员估计,超过99%的根际细菌物种对植物有益。植物依赖的环境的如根际、叶际或内生菌,可以通过特定基因的扩增子靶向或鸟枪法测序进行宏基因组分析,这有助于探测植物相关的微生物群落(1)

 

宏基因组学取得的重大进展,有助于对任何环境DNA进行微生物群落分析。因此,可以使用这种方法发现新的物种基因组和基因,以鉴定在农业领域中具有应用的新的潜在分子。尽管宏基因组学在利用更广泛的遗传资源方面取得了成功,但这种方法可以通过提取惰性微生物基因组来提供特定环境中某些物种微生物群落遗传潜力的信息。

 

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1、使用多组学对植物-微生物相互作用相关研究

 

2.3、预测微生物群落功能的宏转录组
宏基因组揭示了微生物相关遗传信息,而宏转录组精确地表示了微生物的活动,并提供了一些证据,来说明哪一类可以使污染物在压力环境中得到转化或降解。宏转录组侧重于整个微生物群落中的基因表达,并解释特定周围环境中微生物种群的动态功能。它是研究复杂的微生物生理学、功能谱分析和微生物群落的未知结构的一种合适而有力的技术。此外,宏转录组通过研究分离的总mRNA来表征环境样品的实时mRNA表达。这项技术还支持通过宏基因组学获得的数据,阐明特定的转录基因,并允许对植物相关微生物群落进行功能分析。还可以获得活性代谢途径及功能进行预测。宏转录组可以发现未知的和潜在的至关重要的植物-微生物关系。分析多方面的微生物群落有助于识别有利于植物生长的新微生物及其相互作用。
 
2.4、利用宏蛋白质组学揭示有机和无机污染物
宏蛋白质组学研究简化了基因表达的检测和量化,详细解释了蛋白质在微生物在一系列栖息地建立的代谢机制中的作用。在植物-微生物相互作用开始时,植物的防御反应被重新编程,蛋白质在植物-微生物相互作用中的重要性变得至关重要,因为维持细胞稳态及其在调节信号网络和细胞过程中均具有重要作用。植物的抗性反应是由于蛋白质与不同部分的复合连接,在信号和其他蛋白质之间产生串扰。
 
宏蛋白质组学的应用可以将植物-微生物相互作用的信息简化,在探索与污染环境中植物-微生物相互作用具有部分应用(1)。宏蛋白质组学分析提供了关于细菌控制宿主生理并形成共生成分的信号通路的重要信息。在植物-微生物相互作用感染细胞的线粒体过程中,共生微生物细胞在共生发育过程中释放的能量代谢和能量大部分仍未被表征。因此,在植物和微生物共生相互作用过程中线粒体蛋白质组的特定变化是非常令人关注的。比较线粒体蛋白质组分析,以了解与来自未接种大豆幼苗的根线粒体蛋白质相比,哪些蛋白质对根瘤中的线粒体具有特异性。研究发现,一些未知蛋白质与一些已知蛋白质,如黄烷酮3-羟化酶、磷酸丝氨酸转氨酶、甘氨酸脱氢酶和核糖核蛋白,对结节线粒体具有特异性。因此,需要开发一种综合的多学科技术来完全理解在任何环境中植物-微生物相互作用的系统生物学。来自所有NGS方法的数据集,如蛋白质组学、转录组学、基因组学和代谢组学研究,如果结合生物信息学和统计工具,将通过识别和整合所有植物-微生物相互作用研究中涉及的关键生物过程提供分析优势,并通过建模帮助预测。

 

 

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改变植物相关的微生物群及其方面


    分布、物种界面、环境和宿主在植物相关微生物群的出现中起到重要。根系中的微生物群预计将在其植物宿主的整个生命周期中动态参与和聚集,并且该微生物群在不同地理位置是一致的。利用微生物群作为研究植物发育的模型,研究人员发现,尽管随着时间的推移,结构发生了变化,但属于核心微生物群的小部分微生物仍被可靠地保存下来。这些微生物具有许多特性,如胁迫耐受性、宿主有益效应和定殖。此外,通过与特定微生物群相关联而表现出的品质,如耐旱性和抗病性,可以从母株转移到后代,这说明了宿主遗传学和宿主相关微生物群之间的相互联系。微生物可以利用趋化性来感知和响应植物分泌物中的信号,如有机酸,从而开始定殖。微生物利用鞭毛,在信号接收后立即向植物附近移动,微生物通过附着根表面形成生物膜。生物刺激包括向严重污染区域增加营养物质,包括磷、氮、氧和电子供体,以刺激现有细菌降解有害和有毒污染物。与大量根际样品相比,编码参与细菌鞭毛组装、趋化性、生物膜形成、细菌运动性、细菌分泌和多组分调节系统的蛋白质的基因在叶际、茎和根环境中发现的微生物群落中高度丰富。在营养丰富的环境中,变形菌和厚壁菌的存在因这些细菌群中底物转运蛋白的增加而增强。
 
3.1、植物修复过程中的植物和微生物定殖
几种植物可以积累和耐受多种重金属,被称为超富集植物。已从52个科中鉴定出700多种金属超富集植物,十字花科植物占大多数,约有83种。植物修复的进一步发展有赖于发现新的超富集植物并揭示其解毒模式。由于过氧化物酶的作用,景天植物具有显著的富集镉的能力,在镉的超富集中起着重要作用。芥菜(印度芥菜)在植物修复过程中的有效性得到证实,并确定接触微量元素的植物表现出高耐受指数,活性氧(ROS)水平增加,抗氧化活性更高,这表明芥菜具有更高的解毒效率。参与污染物潜在降解的基因可以从微生物或其他真核生物转移到植物中,以有效修复环境污染物。例如,金属摄取基因的过度表达诱导它们在转基因植物中的摄取。谷胱甘肽是众所周知的参与重金属解毒的抗氧化剂,其还原形式由γ-谷氨酰半胱氨酸合成酶(γ-ECS)和谷胱甘肽合成酶催化。在镉存在的情况下,芥菜中谷胱甘肽合酶和γ-ECS编码基因的过表达系表现出增强的镉积累和耐受性。然而,几种用于修复污染环境的转基因植物仅限于在受控实验室或温室试验下种植的模式植物,而不是田间试验。为了检验植物修复的能力,进一步的研究应该集中在它的原位实施上。
 
植物相关微生物群通过各种间接或直接机制使植物受益。这些包括促进生长、压力控制和抵御病原体和害虫。植物相关微生物群的选择性组装需要多种复杂的植物-微生物和微生物-微生物相互作用。微生物介导的过程、途径和与定殖相关的蛋白质(微生物间相互作用、代谢和运输、细胞运动性、趋化性、效应子介导的定殖、应激反应和生物膜产生)如图3所示。植物在发育过程中通过释放根部分泌物(例如糖、有机酸和次生代谢物)与微生物群相互作用。

 

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3、微生物组组装和生物膜形成示意图

 

3.2、微生物辅助降解和代谢途径的变化
植物产生代谢物是一种重要的机制,在从生长到适应胁迫的过程中发挥着多种作用,在不影响植物发育和细胞过程的情况下实现功能的灵活性。植物代谢是有机化合物合成和降解的复杂过程。代谢物分为初级代谢物和次级代谢物。虽然初级代谢物促进植物生长,但次级分子保护植物免受非生物和生物胁迫。植物产生大约200000种特殊化合物,包括超过100000种次生代谢物。
 
多氯联苯是有毒的人为污染物,对环境和人类健康有害。二十多年前,在沙地栽培中生长的桑树植物物种从其根部释放出酚类化合物,酚类化合物的含量足以支持多氯联苯降解细菌的生长。几项研究表明,植物代谢物刺激污染物降解微生物的生长。然而,关于微生物和植物代谢物相互作用的研究大多局限于在受控实验室或温室试验下生长的植物,而不是田间试验。为了检验植物修复的能力,未来需要进行实地调查。此外,为了了解微生物的调节机制和植物代谢物在植物修复中的能力,需要对代谢组学图谱进行深入研究。

 

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植物-微生物群伙伴关系的有利影响


    微生物辅助可以引入植物的任何部分(大部分在地下),并通过信号传递到其他部分或代表有助于缓解胁迫、植物生长和防御的机制。一些直接作用是通过缓解胁迫和产生渗透保护剂、植物激素和解毒酶来刺激植物生长。植物的微生物组也可以通过拮抗相互作用或系统反应保持对病原体或害虫的抗性,从而提供间接的益处。微生物和植物之间复杂的相互作用提供了这些群落之间的平衡,支持植物健康的有益微生物。
 
此外,几种氨基酸,包括糖、有机酸和初级代谢物从活跃生长的根尖分泌到根际,并促进营养物质的获取。例如,从拟南芥根中释放的苹果酸选择性地发出信号并补充有益的根际细菌。在微生物释放到植物生长溶液中的24-二乙酰基-氯葡萄糖醇和玉米赤霉烯酮等化合物存在的情况下,初级代谢物的根渗出也会增强,这表明代谢物和根分泌物之间有很强的联系。
 
4.1、结合传统方法和组学探索植物辅助微生物的特性
植物-微生物伙伴关系的范围从自由生活到内共生微生物以植物分泌物为食。植物中发生的相互作用其中一个部分有可能在植物部分的另一个部分发生变化。除了固氮,微生物还帮助植物生长发育。此外,细菌群落也利用群体感应与植物交流。植物相关微生物群的变化会导致植物其他部分代谢物及其水平的变化。多组学方法提供了对微生物和植物之间的分子机制和相互作用的深入理解和见解。这种多组学方法促进了对微生物代谢过程相互依赖的研究。此外,植物-微生物和微生物-微生物的相互作用可以用多组学技术来研究。专性共生相互作用可以在丛枝菌根真菌和植物之间建立,并且可以进一步与非菌根微生物如生物膜建立。
 
4.2、组学数据在改进植物修复中的应用
组学革命相对于传统科学有着巨大的优势,例如数据的无限、免费可用性。表征植物-微生物可能是组学技术在植物修复中最有力的应用,因为它提供了完整的信息,说明整合的生物群落如何相互作用以适应污染物胁迫并改善修复。越来越多的组学研究和探索根际和植物-微生物相互作用的其他实用方法将为改善有机和无机污染物的修复提供见解(2)

 

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2、植物-微生物相互作用和有机及无机污染物的植物修复实用方法

 

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研究需求和未来展望


    植物修复是可持续环境修复的方案之一。通过研究微生物群落以及微生物分类群和基因的关联,来探讨植物相关微生物群与植物的定殖、生理和适应性。近年来,随着NGS技术等与培养无关的方法的进步,微生物生态学领域得到了极大的发展,这使得我们能够识别微生物组中的基因。这些知识可用于更深入地了解污染物降解所涉及的分子机制,从而指导寻找新的微生物菌株。必须集中努力增加有益菌的多样性和丰度,特别是那些显示出提高的酶活性和污染物降解潜力的细菌。此外,关于显示植物代谢物控制根微生物组的证据的研究也很有限。对次生代谢物对微生物群影响的机理理解有望在未来几年得到发展。组学研究对污染物处理过程中植物-微生物组的相互作用产生了定量的见解。根际植物和微生物群的功能和生理之间的系统联系可以用组学工具进行批判性研究和分析。利用组学工具获得见解可能为寻找一系列潜在的处理污染物的植物-细菌组合提供线索。将来,可以将分泌大量有益代谢物的微生物群引入植物根区。此外,可以鉴定高效的PGPRs和丛枝菌根真菌(AMFs),并可用于共接种,以克服生物和非生物因素对植物的胁迫。此外,植物可以被改造成产生根系分泌物,通过改进的植物修复过程刺激污染物降解。

 

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结论


    本文全面讨论了植物和微生物在暴露于各种有机和无机污染物过程中的相互作用机制。阐述了有益微生物在处理各种污染物过程中与植物协同作用的机理。在植物修复过程中,植物和微生物在解毒、积累、转移、动员和固定有机和无机污染物的同时相互作用。微生物组组装形成的动力学也可以使用元组学技术来研究。利用比较组学和多组学来理解微生物和植物的相互作用可能是发展可持续植物修复策略的关键一步。

 

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