通过使用高产的作物品种以及投入更多的化肥、农药和用水，“绿色革命”使得全世界的作物产量提高了十多倍。数以百万的人得以远离贫困和饥饿，同时，未耕作土地向耕作土地的转变也减少。然而，环境恶化也接踵而至，包括土壤退化和化学径流等的加剧。据预测，2050年全球人口将达到97亿。因此，亟需一个新的和可持续的革命来维持农业生态系统的健康、避免农业施用物的过度使用以及保护稀缺的水资源。想要实现可持续地提高粮食安全、提高作物对生物和非生物胁迫的适应能力、以及减少农业碳排放这些重大目标，需要在多学科和植物生物群系的不同部分中进行前所未有的创新。一个大有可为的方法就是利用微生物组的知识造福农业。
利用微生物改善农业生产的例子屡见不鲜。早在19世纪末，美国就开始利用土壤微生物提高作物产量。目前，微生物已被用作生物农药/生防制剂（防治害虫和病原菌）、生物肥料和生物刺激素等。微生物菌剂的独特性能和持久性使人们认识到，微生物的功能和持续性依赖于植物生物群系内部的相互作用，即环境、宿主植物和其它土著微生物之间的相互作用。最近的技术突破使得人们对植物相关的微生物组的复杂性、微生物的结构和功能的定义以及自身之间和宿主之间的相互作用等有了深入的了解，为微生物组和微生物产品（如生物肥料、生物农药和生物刺激素）的应用提供了一条光明的道路。它们已经引起社会各界广泛的兴趣、努力和投资（来自工业和资助机构），以便开发出有针对性的微生物组合来帮助植物吸收营养和矿物质、应对胁迫或增强免疫反应从而抑制害虫和病原菌。微生物组的应用不仅限于改善植物健康，更是一种更全面和系统的方法，包括人类健康。系统生物学提供了一个全局且综合的方法来解开复杂的微生物与宿主植物的相互作用。
2021年3月3日，美国科罗拉多州立大学Jan E. Leach团队在New Phytologist上发表了题为Enabling sustainable agriculture through understanding and enhancement of microbiomes的综述性论文，从多角度阐明了微生物组在可持续农业中的巨大潜力，并总结出挖掘和利用微生物组的技术流程。
作者首先结合最新的研究进展，从六个方面（1. 理解植物微生物组的多组学方法；2. 核心和中心微生物；3. 微生物组对植物功能的影响；4. 微生物组的装配机制；5. 微生物组的定制；6. 产品商业化）全面和系统地论证了微生物组的特性和重要性以及对可持续农业的应用潜力。
图1 大田中农业相关作物的不同生态位的细菌群落结构
图2 植物相关的微生物组的装配以及有益的植物-微生物组之间的相互作用
作者最后总结出挖掘和利用微生物组的黄金法则。简而言之，使用多组学技术（扩增子测序、宏基因组、宏转录组、宏蛋白组、宏代谢组以及培养组学等）揭示抑病环境或者更利于植物生长的环境中的微生物特性。通过构建相互作用网络选择有益微生物组，并根据结构特性和/或功能模块识别潜在的关键微生物。使用高通量平台培养单个微生物，并通过基因组、代谢和生理分析确定其特征。首先筛选出具有有益特性的菌株，然后基于微流体的平台在二元的微生物-微生物和植物-微生物相互作用中进一步筛选。具有预期功能且用于构建合成微生物群落（synthetic microbial community，SynCom）的微生物可以通过合成生物学加以改进。通过预测建模来设计不同复杂程度的SynComs，该模型可以评估特征冗余、优势、模块化、相互作用和装配。在温室或使用标准化制造的生态系统或微流控平台中，进一步验证SynComs对植物生长的促进能力以确保有益特性的可重复性。最具前景的SynComs则被应用到大田中。在大田中，给无人机安装上各种传感器并连接可移动的DNA测序仪用于自动检测植物的响应以及微生物的群落结构。微生物组-表型组-环境数据的数据集将被用于预测微生物动态，从而使得SynCom应用到按比例扩大的智能农场中成为可能。
图3 人工构建合成微生物群落（SynCom）用于改善植物健康和提高产量的技术路线
编辑∣冯曾威
审核∣姚青
广东省科学院微生物研究所菌种组-华南农业大学园艺学院土壤微生物组联合团队
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