微生物群落的健康非常非常重要，因为它们维持着生态系统的健康。通过改变微生物群落，除草剂可以对生态系统产生深远、长期和不可预见的影响。

  导读非目标生物在全世界内都暴露在除草剂中。尽管许多除草剂(例如草甘膦)起初被认为是安全的，但慢慢的变多的证据说明，它们通过改变微生物群落对ECO功能产生了深远的影响。本文提供了一个关于除草剂残留物如何通过改变微生物组来调节生态系统层面的综合框架。土壤微生物组的变化可能会影响关键的养分循环和植物-土壤过程。除草剂改变的微生物组影响植物和动物的生产性能，并可能会影响营养相互作用，如食草和授粉。这些变化预计将导致ECO，甚至是微生物和宿主的进化后果。应对农用化学品对ECO功能和服务造成的威胁，需要基于对微生物介导风险的全面理解的工具和解决方案。

  过度开发和化学化是加速生物多样性丧失的主要驱动因素，这是对自然和农业生态系统功能和服务的最大全球威胁之一。农用化学品的大量使用，如除草剂，在污染过程中起着及其重要的作用，使得非目标植物、动物和人类暴露。尽管最初人们认为许多除草剂对非目标类群是安全的，因为它们的作用机制被认为在非目标生物中不存在，但直到最近才了解到，除草剂可能通过改变土壤、植物和动物中的微生物群落和微生物功能对非目标类群产生深远的影响(表1)。鉴于自生命起源以来，微生物在推动生态进化适应性方面的及其重要的作用，微生物和它们的宿主构成了共同进化的多部分实体，即共生功能体，因此需全方面了解与微生物组改变相关的风险。在此，我们提出，由于土壤和宿主相关微生物组的改变，除草剂可对自然和农业ECO功能产生一定的影响(图1)，并可能对进化产生一定的影响。此外，我们讨论了目前文献中解决这样一些问题的局限性。尽管已知农用化学品也会进入水生环境中，我们主要关注使用除草剂的陆地ECO。我们从分子生物学到生理学，再到生态学和进化ECO过程进行探讨。因此，我们的意见，提供了一个关于亚致死性除草剂残留物如何调节生态系统的生态和进化变化的概念框架，对基本的生态学理解以及在农业生态和环境管理中的应用都很重要。

  前四种的作用方式具有直接的抗微生物作用，而后四种只是间接地影响植物性状，因此也影响微生物。目的是展示受影响的微生物过程的广度，并在有条件的情况下提供跨类群的例子，同时也指出文献中缺失的信息(标记为-)。我们进一步提供了关于该研究是否使用了除草剂的活性成分(A)或商业配方(F)的信息。

  图1. 除草剂对植物-微生物和植物-动物相互作用的影响。除草剂可以直接影响非目标生物(灰色、绿色、蓝色)，特别是微生物(黄色)，并引起生态系统层面的变化。微生物是所有健康生物体的重要组成部分。因此，除草剂可以间接影响生物体的行为和表现。这些变化能进一步塑造物种的相互作用和生态系统(生态过程：蓝色箭头)，以及进化过程(黑色箭头)。

  过去几十年来，全球除草剂的使用量飞速增加，每年使用100万吨。草甘膦是全球使用最多的除草剂。草甘膦被用于农业，重要的是，它也被用于园艺、造林和城市环境中，导致全球人造和自然ECO的污染。其他普遍的使用的除草剂有三嗪类(如阿特拉津)乙草胺和异丙甲草胺、百草枯和麦草畏(表1)。除草剂残留物在土壤、水、非目标植物、动物及人类体内均有发现。除了活性成分外，商业除草剂还包括助剂成分，它们对非目标生物的毒性甚至更大(BOX 1)。除草剂可以对非目标植物和动物产生非微生物介导的影响，但通过改变土壤和宿主相关微生物的影响尚不清楚，因此这是我们关注的重点。

  BOX 1.活性成分和助剂成分。在田间使用的除草剂是活性成分和复杂助剂成分的组合。当一种化合物被有意加入以产生对目标物种的毒性时，就被归类为活性成分。然而，除草剂的活性成分(如草甘膦)只有在多变的天气条件下，能在叶面上停留足够长的时间以穿透植物表皮时才有效。因此，助剂被添加到商业产品中以提高活性成分的作用效率。根据目前的法规和法律，通常只需要测试活性成分对非目标生物的毒性。此外，商业产品中的助剂可能随时间和地理位置而变化，并被视为保密信息。 慢慢的变多的研究表明，商业除草剂配方对微生物和其他非目标生物的影响比单独的活性成分的影响要强。然而，往往无法区分这是活性成分、助剂还是它们组合作用的结果，因为许多研究没有充分说明他们所使用的商业制剂。为更好地了解除草剂对自然和农业ECO生态和进化的影响，我们应该使用有效成分和各种商业配方进行更多重复、实地实际和长期的实验。

  除草剂对土壤和宿主相关微生物的影响可以是(1)直接影响微生物的功能和生存，也可以(2)间接影响环境或宿主，这取决于除草剂的作用方式(表1)。草甘膦可以直接影响微生物的生存，因为它抑制了莽草酸途径中的5-烯醇式丙酮酰-莽草酸-3-磷酸合成酶(EPSPS)，该酶在植物和大多数微生物中产生必需氨基酸。其他直接抑制微生物代谢过程的除草剂包括改变生物合成支链氨基酸的乙酰乳酸合成酶(ALS)抑制剂，干扰脂肪酸合成的乙酰-CoA羧化酶(ACC)抑制剂，以及干扰氮代谢的谷氨酰胺抑制剂。在另一类除草剂中，其作用方式并不直接针对微生物，而是针对植物细胞代谢，如光合作用和植物激素的生物合成。然而，植物性状的任何变化都会改变与其相互作用的微生物群。除草剂暴露最终可通过多个过程改变微生物群落(图1)。(i)微生物对除草剂的内在敏感度不同。例如，某些氨基酸标记决定了草甘膦对目标酶的亲和力，进而决定了微生物的敏感性。微生物敏感性的差异会导致其在除草剂暴露下的丰度变化。(ii)许多微生物可以代谢除草剂并将其作为营养源。例如，假单胞菌和Arthrobacter可代谢阿特拉津和草甘膦，鞘氨醇单胞菌可代谢乙草胺，Lipomyces可代谢百草枯。因此，除草剂残留物可增加群落中除草剂代谢微生物的丰度。(iii)除草剂可引起微生物的功能变化，进而引起群落效应。(iv)上述所有变化可进一步改变微生物之间的相互作用。健康的微生物群落能够长期保持自我调节的潜力。因此，除草剂暴露引起的变化会对群落功能产生负面影响。

  土壤和根际相关微生物对于土壤支持重要ECO的能力至关重要。除草剂使用对土壤过程的影响取决于除草剂的化学成分、作用方式、微生物对除草剂的敏感性以及外因和气候。除草剂的行为及其在土壤中的残留很难预测，因为它们取决于多种和/或部分抵消的作用。除草剂影响微生物群落，微生物降解除草剂，这两个过程由土壤的物理化学特征、农业管理实践和天气特征情况交互决定。因此，关于除草剂对土壤微生物群落影响的研究结果是不一致的。例如，草甘膦(活性成分)对存在于大多数微生物内的莽草酸途径产生负面影响，但微生物对草甘膦的遗传抗性各不相同。因此，一些草甘膦抗性微生物以及能利用草甘膦作为营养源的降解微生物可能会在微生物群落中都会存在。同样，在一些环境中，阿特拉津(活性成分)可能不可能影响整个微生物群落，而在别的环境中，由于有利的选择压力，它能够大大减少土壤微生物生物量或增加阿特拉津降解细菌(活性成分)，因此导致阿特拉津的降解。 草甘膦和其他除草剂对土壤微生物群落生态和进化的潜在影响没有正真获得充分认识。然而，最近的研究表明，农药的使用与土壤有益和根系相关的微生物(活性成分和商业配方)以及除草剂调节的土壤营养循环之间有负相关关系。例如，草甘膦分子含有磷，给ECO增加了额外的磷负荷。此外，除草剂可能通过与磷酸盐离子竞争相同的结合点而进一步影响土壤的磷循环。然而，这种草甘膦在土壤中的相互作用又非常大程度上取决于土壤性质、生物因素(植被类型和土壤微生物群落)以及气候和天气条件。

  除草剂残留可以单独或作为宏基因组单元共同影响植物及其相关微生物。亚致死除草剂剂量，特别是草甘膦，对土壤过程的影响慢慢的受到重视，但对植物相关微生物群、植物生理学的影响以及随后对物种相互作用的影响仍然知之甚少。已多次发现草甘膦(活性成分和配方)对根部感染性、定植和丛枝菌根真菌(AMFs)密度的负面影响。这对植物的水分和营养经济有影响，也可能会影响AMF的多样性和ECO功能。除草剂对外生菌根真菌的影响知之甚少，尽管大多数外生菌根真菌可能对草甘膦敏感，并且已知它在北方和针叶林ECO中发挥关键作用。由于根系相关真菌会影响其宿主适应性，因此选择性抑制真菌伴生物有可能是在此基础上塑造植物群落和ECO。 同样，除草剂暴露塑造植物根际细菌群落(活性成分和配方)。虽然对总群落结构的研究结果是可变的，并取决于植物宿主、实验系统和暴露水平，但研究显示固氮细菌的相对丰度一致减少(商业制剂)，并抑制了植物有益的微生物功能(固氮作用、1-氨基环丙烷-1-羧酸脱氨酶和抗真菌酶；商业制剂)。由于许多植物性状，包括生长、物候、对非生物胁迫和病原体的抗性，都受到根际微生物组的调节，根际组成和功能的变化可能反映在宿主的适应性和生长上。 在植物中，由除草剂干扰的生理途径产生的化合物，如莽草酸途径，是许多植物防御和信号代谢物的基本前体。因此，亚致死剂量的草甘膦(活性成分和制剂)几乎能破坏植物地上(叶际)与其他共同进化生物(如病原体、植物共生微生物、植食动物和传粉者)的相互作用(图1)。例如，在拟南芥中，草甘膦改变了植物代谢组，导致叶际核心微生物组发生明显的变化(活性成分)。因此，植物叶际微生物变化可能是由植物代谢组的变化间接引起的，这可能对植物抗逆性产生实质性的影响，并可能会影响田间尺度的生态进化过程。植物激素是应对食草性动物或微生物感染的植物代谢物生物合成的关键调节剂。一些植物相关的细菌通过生物合成和调节植物激素(如生长素和乙烯)来调节植物表型。因此，草甘膦类除草剂在土壤中的残留可能通过改变微生物群落直接或间接地破坏植物体内激素的稳态。在田间尺度上，农药对植物代谢组的持续影响可能会在多营养和多物种网络中产生级联效应，对整个ECO以及植物-微生物和植物-昆虫动态的共同演化产生未知的影响。 除了改变食草性，除草剂还能够大大减少传粉者的来访。这两种情况均可通过吸引传粉者和捕食性昆虫的植物释放的挥发性有机物(VOCs)的变化来解释。例如，一些通过莽草酸途径产生的VOCs受到低剂量草甘膦的影响(活性成分)。草甘膦导致的植物挥发性物质的变化在多大程度上影响授粉或害虫控制，这一点还有待阐明，但全球研究表明，与有机农业相比，使用农药管理的农田生态系统多功能性总体呈下降趋势。

  已知肠道和皮肤微生物组都会影响动物健康，在无脊椎动物和脊椎动物的消化、病原体抵抗甚至神经行为协调方面发挥着关键作用。已证明具有直接抗微生物作用的除草剂可影响无脊椎动物和脊椎动物宿主的微生物组组成(表1)。到目前为止，对陆生无脊椎动物的研究大多分布在在蜜蜂上(相关文献报道活性成分和配方对甲虫和蚊子的影响)。例如，草甘膦(活性成分)已被证明可增加致病菌而减少共生菌，这可能会影响蜜蜂对病毒和真菌病原体的敏感性，其生存影响会逐级上升到ECO层面。除非间接接触除草剂外，植物叶片、花粉和花蜜中被除草剂改变的植物微生物组和/或代谢组可能改变传粉者和食草性动物的接触和消耗，这可能对其肠道微生物组产生级联效应，进而影响授粉者和食草性动物的健康。除草剂还导致脊椎动物模型(小鼠和家禽；包括活性成分和配方)的成分和功能发生一致的变化，例如对内分泌和免疫功能产生相关影响。此外，已发现宣称缺乏抗菌功能的除草剂会影响动物宿主的肠道微生物组(例如，在甲虫、果蝇、青蛙和小鼠中)(表1；包括有效成分和配方)。例如，低剂量的百草枯(活性成分)暴露重塑了黑腹果蝇的微生物组，同时影响了成年后的寿命。我们提出，非抗菌性除草剂的这种影响可能是通过改变宿主的生理结构来介导的，从而驱动微生物组的变化。 最终，除草剂驱动的动物-宿主肠道微生物组的变化可能会引起ECO层面的变化。例如，肠道微生物组的改变可能直接影响病原体抵抗力、内分泌紊乱，进而影响动物的生存/繁殖，或者通过改变物种间的相互作用，包括授粉/食草、竞争或捕食，间接地引起变化。这些都可能是由肠道微生物组的改变所驱动的行为改变的结果。例如，据报道，产前接触草胺膦(活性成分)的大鼠的肠道微生物组发生改变，运动和记忆形成能力受损。因此，了解这些生理和行为的变化如何导致生物体性能变化，是未来研究的一个关键挑战。总而言之，任何由除草剂引起的宿主微生物组的变化，都会对物种关联产生复杂和不可预见的影响。7对微生物组进化的影响及其如何反馈到ECO层面

  植物对除草剂的抗性除了会对生态进化动态产生级联效应外，多次接触除草剂对进化的影响是提高游离土壤细菌除草剂抗性的选择(BOX 2)。这可进一步反馈到ECO层面，因为群落组成的变化可能会影响土壤过程，例如，氮和碳的流动。长期接触除草剂不仅可能会影响微生物的进化，而且还可能会影响微生物驱动的动物宿主的进化。例如，85代的黄蜂Nasonia vitripennis暴露于阿特拉津(活性成分)导致肠道发生适应性变化，并对宿主基因组产生了选择压力。这些根据结果得出，除草剂介导的宿主-微生物组协同适应正在导致一个新的宿主-基因组-微生物组平衡。除草剂对动物-宿主肠道微生物组的影响也可以反馈到土壤过程中，影响土壤动物(如蚯蚓)，有助于解毒、分解和养分循环。已发现一些除草剂会减少蚯蚓肠道微生物组的多样性(活性成分和配方)，这可能会引起土壤过程受损和对宿主的选择。

  一些物种已进化出多种抗草甘膦的机制，包括靶点和非靶点机制(图I)。靶点敏感性可根据目标蛋白序列中氨基酸标记的生物信息学分析来确定。通过鉴定EPSPS活性位点的氨基酸标记，对草甘膦靶位点敏感性的进化进行了深入研究。尽管细菌的系统发育和生活方式可能决定了对草甘膦的潜在敏感性，但通过EPSPS活性位点的单一突变或通过水平基因转移，这种状态可能很容易改变。此外，草甘膦可能会影响其他代谢途径，如线粒体电子传递链。因此，即使存在蛋白的抗EPSPS拷贝，一些物种也可能对除草剂敏感。基于对靶点机制的分析，有人针对草甘膦提出了暴露假说(即暴露较多的游离细菌往往比宿主相关细菌和寄生细菌对除草剂的抗性更强)。然而，文献挖掘研究表明，病原菌可能比游离和宿主相关细菌对除草剂的抗性更强，这可能是由于致病菌的基因组可塑性更强。此外，动物器官和植物组织对草甘膦的靶点敏感性存在一定的差异。要进一步的实证研究来解开靶点和非靶点机制之间的联系，以及草甘膦和其他除草剂在选择抗微生物细菌方面的作用。

  图I. 靶点(蓝色)和非靶点(紫色)对草甘膦的敏感性/抗性(S/R)的机制。EPSPS：5-烯醇式丙酮酰-莽草酸-3-磷酸合成酶。

  缺乏公开的研究限制了我们对ECO的程度和复杂性以及除草剂的进化效应的理解。首先，除草剂中的助剂会产生附加或协同效应，使活性成分的预测效果复杂化(BOX 1)，但尚未完全量化。第二，大多数研究是在实验室或在农业上重要/模型物种上进行的，这造成了一些限制。实验室中的模型系统无法捕捉到野生共同进化的微生物、植物和动物、它们的相互作用及其对可变环境的反应。因此，生态系统的生态进化效应不可能在实验室里进行量化。虽能在实验室研究中检查机制，但除草剂暴露的剂量和维持的时间很难调整到与自然环境中的暴露相当。这一点在低慢性暴露水平的长期研究中更是如此。虽然关于除草剂对微生物的复杂和间接影响的认识正在出现，但关于经常使用除草剂的更广泛的生态进化效应的实证研究仍然缺乏。

  微生物群落的健康非常非常重要，因为它们维持着生态系统的健康。通过改变微生物群落，除草剂可以对生态系统产生深远、长期和不可预见的影响。因此，应对农用化学品造成的威胁，需要基于对微生物介导风险的全面理解的工具和解决方案。为了真正解决和控制微生物组介导的除草剂效应，在未来评估目前不涉及微生物的农药注册时一定要考虑这一些因素。