微生物生物多样性在可持续葡萄栽培中的重要性

AUTHORS 伊格纳西奥 · 贝尔达 (ES) 劳尔 · 奥乔亚 - 韦索(ES) 蒂齐亚娜 · 纳迪 (IT) 帕特里齐亚 · 罗马诺(IT) 伊利亚娜 · 维根蒂尼 (IT) 坐标 Enrico Battiston, OIV葡萄栽培部负责人；Alejandro Fuentes Espinoza, OIV经济与法律部负责人；Neslihan Ivit, OIV葡萄酒学部负责人 ACKNOWLEDGEMENTS 米克尔 · 罗德里格斯 · 伊达尔戈 ， 插画家 免责声明 OIV集体专家文件未提交给决议审查程序（Step Procedure for Examining Resolutions），并在任何情况下不得被视为OIV决议。只有成员国通过的OIV决议具有官方性质。本文件由葡萄种植委员会“可持续发展与气候变化”（SUSTAIN）工作组起草，并由其他OIV委员会进行了修订。 这份文件是在 OIV 的倡议下起草和制定的 ， 是一份集体专家报告。 © 国际葡萄与葡萄酒组织（OIV），第1版：2025年2月（迪jon，法国）ISBN 978-2-85038-098-3 国际葡萄与葡萄酒组织（OIV） 酒店博舒·迪·埃斯特罗诺 1, 蒙热街 F-21000 迪jon - 法国 网站：www.oiv.int 电子邮件：viti@oiv.int TABLE OF CONTENTS 51 • SCOPE 2 • 介绍葡萄园健康和营养感兴趣的土壤微生物过程6 2.3 微生物在抵抗生物(病原体) 和非生物(例如干旱) 胁迫中的作用 112.2 微生物在营养 / 矿质元素循环和动员中的作用 72.1 了解藤蔓与微生物之间的紧密相互作用(根际和系统圈) 6 12葡萄园中的微生物多样性 (从本地到全球生物地理模式) 3.2 耕作方式对葡萄园微生物多样性的影响 133.1 非生物因素对葡萄园微生物多样性的影响 (生态条件) 133.2. 1 常规与有机和生物动力管理 13 3.2. 2 覆盖作物 14 4 • 葡萄栽培中功能性微生物群的多样性和分类学 15 4.1 葡萄园 - 病原体 ， 生物控制剂 ， 其他积极影响的微生物 154.1. 1 病原菌 15 4.1. 2 微生物生物防治剂 16 4.1. 3 其他有益微生物 17 4.2 酒厂 ： 发酵和腐败微生物群 18 225 • 葡萄园文化独立研究的分析方法微生物群 5.1 实验室方法 ： 从样品收集到 DN 提取和测序 22 5.1.1 样本采集 225.1.2 DNA提取与文库构建 235.1.3 DNA测序技术 235.2 从生态学视角分析葡萄园微生物群落的数据分析 24 6 • 结论 25 8 • Annex I需要考虑的生物地理学、土壤学、气候学和葡萄栽培相关的数据列表35 根据OIV- CST 518-2016决议所采纳的可持续葡萄种植原则（OIV, 2016）和OIV-VITI 641-2020决议所采纳的实施指南（OIV, 2020），土壤、水、空气、生物多样性和景观的保护在葡萄种植领域尤为重要。因此，在种植新的葡萄园或建立其他葡萄种植设施之前，需要进行合理的规划，并运用成熟的生态学原理以及对现有和新建资产的最佳管理。 生物体内的生物多样性被视为可持续葡萄栽培实施可持续发展原则的重要功能元素。在此意义上，OIV-VITI 655-2021决议（OIV, 2021）制定了关于微生物多样性评估和重要性的建议，在可持续葡萄栽培的背景下。 在本专家合集中，概述了葡萄园中的微生物多样性，通过展示主要的真菌和细菌特征，如它们在葡萄种植环境中的作用及其相互作用机制，并说明这些相互作用如何从葡萄园到酿酒厂带来益处。该文件的发布旨在鼓励并支持应用由OIV-VITI 655-2021 RESOLUTION（OIV，2021）确立的建议。 葡萄园健康和营养的土壤微生物过程简介 2.1 • understanding the INTIMATE VINE - MICROBE INTERRACTIONS(根球和球) 像其他植物一样，葡萄藤与微生物紧密共生。这些微生物以复杂社区的形式存在，由高度相互作用的物种组成。这些微生物包括细菌、真菌、原生动物和病毒，对葡萄藤可以产生有益、有害或中性的影响，并且可以在植物的不同部位（内外）繁荣。它们共同构成了葡萄藤微生物群。生活在植物外部的微生物通常存在于根际（细根周围的薄土层）、叶片（叶表面）、树干（木质部）、茎（枝条）、花朵（花部）和浆果（果实）中。尽管这些栖息地种类繁多，但所有这些微生物的最终来源通常是周围的葡萄园土壤，而树干则扮演着长期微生物多样性的储存库的重要角色。根际和叶表面的微生物对葡萄藤的代谢尤为重要，因为它们在养分循环、植物营养和免疫方面发挥着关键作用，从而影响葡萄园的功能。相比之下，生活在植物上部部分的微生物，特别是附着在浆果上的酵母群落，对保护葡萄免受疾病侵害以及在酒庄中进行葡萄酒发酵和防止变质至关重要。生活在植物组织内的微生物被称为内生菌，大多数是真菌，可以在植物免疫反应和营养方面发挥关键作用。鉴于微生物在定义植物健康方面的作用，葡萄藤及其相关微生物可以被视为一个超个体或整体共生体。 植物可以极大地受益于与微生物的相互作用，而微生物也从与植物的相互作用中获益。例如，除了为众多微生物物种提供适宜的小生境以繁荣生长外，植物还会通过根部分泌物（也称为根渗出物）释放其通过光合作用固定的碳的相当大比例（通常在10-20%之间）。这些分泌物包括低分子量的碳基化合物，如碳水化合物、氨基酸、有机酸，以及更复杂的次级代谢产物，如黄酮类和芥子油苷，它们共同为土壤微生物提供养分，从而促进其代谢活动。植物还会将大量通过光合作用固定的碳用于支持与其共生的生物，例如侵染其根部的丛枝菌根真菌。因此，树液中可溶性固体（°Brix）的高读数可以被视为健康植物及其与土壤相互作用的良好代理指标。丛枝菌根真菌侵染植物根部的菌丝能够有效增加植物根部探索的表面积多达一千倍。这些真菌网络可以作为各种矿物质和有机化合物（包括营养物质和水分）的通道，因而可以被视为植物根系的真正延伸。 2.2 • 微生物在营养 / 矿物元素循环和移动中的作用 植物需要至少17种化学元素来完成其正常功能。这些元素中的一些可以从大气（例如，碳）或水中提取（氢和氧）。然而，在缺乏如矿物肥料等外部输入的情况下，其他元素如磷、镁、钙、钾、硫以及铁、铜、锰、钴、锌或钼等微量元素只能通过土壤风化和有机物循环来供应。氮元素可以由某些细菌和古菌（所谓的固氮菌）矿化或固定，这些微生物可以与植物根部共生（例如，豆科植物根瘤中的根瘤菌）或自由生活。共生和自由生活的固氮菌使用一种称为固氮酶的酶复合体，将惰性的大气氮气转化为可利用的活性氮形式。葡萄藤不与结瘤根瘤菌形成共生关系，但可以在葡萄园中用作覆盖作物的一些草本豆科植物可以做到这一点。实际上，豆科植物如苜蓿和羽扇豆长期以来被用作葡萄园的覆盖作物以改善其氮营养状况，这使得固氮细菌对于低投入葡萄园的功能可能非常重要。 2024 年 11 月 微生物因此可以被视为推动整个生态系统运行的引擎，通过驱动土壤中有机质的化学风化和处理（即分解、矿化）过程，并促进养分固定。这些有机质可以是以新鲜输入的形式存在（无论是根分泌物还是枯枝落叶），或处于各种分解阶段并与其他矿物颗粒结合的土壤有机质。有机质处理的第一阶段是被土壤生物分解。虽然这一过程通常由较大的真核生物（如弹尾类、螨类、线虫、蚯蚓等介型和大型土壤动物）执行，但某些微生物如特定类型的原生动物也可以在此过程中发挥作用。这有助于增加有机质的表面积，使其能够被微生物酶攻击。已知微生物，尤其是真菌和细菌，会释放一系列胞外酶，这些酶通过加速特定分子键的断裂来加速有机碎片的矿化过程。根据断裂的分子键类型，这些酶可以归类为与不同养分循环相关，包括碳循环（例如，葡萄糖苷酶、木聚糖酶等）、氮循环（例如，氨基肽酶、葡糖胺酶等）、磷循环（例如，磷酸酶）和硫循环（例如，硫氧化酶）。这类酶还可以大致分为水解酶（由细菌和真菌共同释放，包括所有上述提到的酶）和氧化酶（由真菌释放，包括酚氧化酶、木质素酶和过氧化物酶）。磷溶解细菌释放磷的过程 葡萄藤营养特别依赖某些金属元素，如铜、锌、钼和钴。在缺乏肥料的情况下，这些元素通过土壤微生物（如菌根）的活动以适当数量提供，对植物酶的合成尤为重要。 复杂的土壤微生物食物网对于植物的营养供给也至关重要，包括在如葡萄园这样的农业生态系统中。在这里，捕食性原生动物起着特别重要的作用。非捕食性微生物通过成为较大宏生物（如线虫）的食物来发挥关键作用，从而支持土壤网络的正常运作。例如，当捕食性原生动物捕食细菌和真菌时，其部分细胞内化合物会被释放到外部介质中，成为植物可直接利用的宝贵营养源。这表明，在葡萄园内维持复杂且高度互动的微生物群落对于确保其可持续性至关重要。因此，有研究表明保持微生物群落的平衡对植物健康至关重要。相反，微生物群落失衡（或微生物失调）可能导致植物健康下降。为了确保土壤食物网的完整性和平衡，保证地下充足的碳化合物来源显得尤为重要，可以通过健康的植物根系分泌物（即根际分泌物）、添加堆肥、种植覆盖作物以及在管理实践中重新引入如羊等动物等方式实现。 2.3 • 微生物对生物(病原体) 和非生物(例如干旱) 应力的抵抗力 葡萄园经常暴露于生物性和非生物性压力之下，这些压力对经济具有重要影响。有益微生物被认为在调节植物对这些压力的响应中起着关键作用，包括提高其韧性和抗性。生物性压力包括病毒（如叶卷曲病病毒）、细菌（如黄脉病菌Xylella fastidiosa）、真菌（如灰霉菌Botrytis cinerea）和原生动物（如葡萄霜霉菌Plasmopara viticola），以及动物害虫（如葡萄褐斑病蛾Lobesia botrana）。土壤微生物可以通过多种方式调节葡萄对病原体和害虫的响应。首先，通过使植物能够获得更好的营养（例如，丛生真菌），微生物可以增强植物的健康状况，从而提高它们抵御攻击的能力。同样，根际、叶表和内生微生物也可以向植物提供对其生理和免疫反应至关重要的化合物，如维生素（例如B族维生素）、激素（例如吲哚乙酸、赤霉素和细胞分裂素）和抗氧化剂（例如过氧化物酶），从而帮助植物控制病原体和害虫。这些微生物，包括植物促生长菌（PGPR），通常被认为具有生物刺激作用。另一种微生物防止病原体感染的方式是通过排除一些有害细菌和真菌物种的竞争，从而允许一定程度的生物控制。这可以发生在许多具有抗菌能力的有益微生物在葡萄藤表面蓬勃生长的情况下，它们不留空间让潜在有害微生物物种定居和生长，从而与其竞争。此外，其中一些微生物可以合成具有杀虫效果的化学物质（例如苏云金芽胞杆菌Bacillus thuringiensis）。同样，已经证明，在葡萄根部周围繁盛的丛生真菌可以形成物理屏障，阻止根食性线虫（如Meloidogyne spp. 和Xiphinema spp.）的侵袭，而某些卵菌被描述为葡萄病原体的寄生虫（Bettenfeld等，2021）。 葡萄园也经常暴露于非生物压力之下，包括缺水（如干旱）、低温和高温（如霜冻和热浪），以及异常的土壤条件（如盐碱化）。考虑到气候变化预计会增加这些压力的频率和严重性，非生物压力对葡萄藤反应的影响尤为关键。在这种情况下，通过功能性植物-微生物相互作用提供充足的营养、水分和有机化合物（如激素和维生素）可以改善葡萄藤对这些压力的反应。真菌根瘤在葡萄藤对非生物压力（包括水分压力、铁缺乏和盐碱化）的响应中尤其重要。例如，高度发达的真菌根瘤菌丝网络可以通过促进土壤微团聚和结构来帮助保持水分（Bettenfeld等，2021）。考虑到到2100年，超过20%的陆地表面可能至少跨越一个不可逆转的干旱阈值（Berdugo等，2020），并且全球变暖增加了土壤传播植物病原体的比例（Delgado-Baquerizo等，2020），我们预计葡萄