通過使用高產(chǎn)的作物品種以及投入更多的化肥、農(nóng)藥和用水，“綠色革命”使得全世界的作物產(chǎn)量提高了十多倍。數(shù)以百萬的人得以遠(yuǎn)離貧困和饑餓，同時(shí)，未耕作土地向耕作土地的轉(zhuǎn)變也減少。然而，環(huán)境惡化也接踵而至，包括土壤退化和化學(xué)徑流等的加劇。據(jù)預(yù)測(cè)，2050年全球人口將達(dá)到97億。因此，亟需一個(gè)新的和可持續(xù)的革命來維持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的健康、避免農(nóng)業(yè)施用物的過度使用以及保護(hù)稀缺的水資源。想要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)地提高糧食安全、提高作物對(duì)生物和非生物脅迫的適應(yīng)能力、以及減少農(nóng)業(yè)碳排放這些重大目標(biāo)，需要在多學(xué)科和植物生物群系的不同部分中進(jìn)行前所未有的創(chuàng)新。一個(gè)大有可為的方法就是利用微生物組的知識(shí)造福農(nóng)業(yè)。
利用微生物改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的例子屢見不鮮。早在19世紀(jì)末，美國就開始利用土壤微生物提高作物產(chǎn)量。目前，微生物已被用作生物農(nóng)藥/生防制劑（防治害蟲和病原菌）、生物肥料和生物刺激素等。微生物菌劑的獨(dú)特性能和持久性使人們認(rèn)識(shí)到，微生物的功能和持續(xù)性依賴于植物生物群系內(nèi)部的相互作用，即環(huán)境、宿主植物和其它土著微生物之間的相互作用。最近的技術(shù)突破使得人們對(duì)植物相關(guān)的微生物組的復(fù)雜性、微生物的結(jié)構(gòu)和功能的定義以及自身之間和宿主之間的相互作用等有了深入的了解，為微生物組和微生物產(chǎn)品（如生物肥料、生物農(nóng)藥和生物刺激素）的應(yīng)用提供了一條光明的道路。它們已經(jīng)引起社會(huì)各界廣泛的興趣、努力和投資（來自工業(yè)和資助機(jī)構(gòu)），以便開發(fā)出有針對(duì)性的微生物組合來幫助植物吸收營養(yǎng)和礦物質(zhì)、應(yīng)對(duì)脅迫或增強(qiáng)免疫反應(yīng)從而抑制害蟲和病原菌。微生物組的應(yīng)用不僅限于改善植物健康，更是一種更全面和系統(tǒng)的方法，包括人類健康。系統(tǒng)生物學(xué)提供了一個(gè)全局且綜合的方法來解開復(fù)雜的微生物與宿主植物的相互作用。
2021年3月3日，美國科羅拉多州立大學(xué)Jan E. Leach團(tuán)隊(duì)在New Phytologist上發(fā)表了題為Enabling sustainable agriculture through understanding and enhancement of microbiomes的綜述性論文，從多角度闡明了微生物組在可持續(xù)農(nóng)業(yè)中的巨大潛力，并總結(jié)出挖掘和利用微生物組的技術(shù)流程。
作者首先結(jié)合最新的研究進(jìn)展，從六個(gè)方面（1. 理解植物微生物組的多組學(xué)方法；2. 核心和中心微生物；3. 微生物組對(duì)植物功能的影響；4. 微生物組的裝配機(jī)制；5. 微生物組的定制；6. 產(chǎn)品商業(yè)化）全面和系統(tǒng)地論證了微生物組的特性和重要性以及對(duì)可持續(xù)農(nóng)業(yè)的應(yīng)用潛力。
作者最后總結(jié)出挖掘和利用微生物組的黃金法則。簡而言之，使用多組學(xué)技術(shù)（擴(kuò)增子測(cè)序、宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組、宏蛋白組、宏代謝組以及培養(yǎng)組學(xué)等）揭示抑病環(huán)境或者更利于植物生長的環(huán)境中的微生物特性。通過構(gòu)建相互作用網(wǎng)絡(luò)選擇有益微生物組，并根據(jù)結(jié)構(gòu)特性和/或功能模塊識(shí)別潛在的關(guān)鍵微生物。使用高通量平臺(tái)培養(yǎng)單個(gè)微生物，并通過基因組、代謝和生理分析確定其特征。首先篩選出具有有益特性的菌株，然后基于微流體的平臺(tái)在二元的微生物-微生物和植物-微生物相互作用中進(jìn)一步篩選。具有預(yù)期功能且用于構(gòu)建合成微生物群落（synthetic microbial community，SynCom）的微生物可以通過合成生物學(xué)加以改進(jìn)。通過預(yù)測(cè)建模來設(shè)計(jì)不同復(fù)雜程度的SynComs，該模型可以評(píng)估特征冗余、優(yōu)勢(shì)、模塊化、相互作用和裝配。在溫室或使用標(biāo)準(zhǔn)化制造的生態(tài)系統(tǒng)或微流控平臺(tái)中，進(jìn)一步驗(yàn)證SynComs對(duì)植物生長的促進(jìn)能力以確保有益特性的可重復(fù)性。最具前景的SynComs則被應(yīng)用到大田中。在大田中，給無人機(jī)安裝上各種傳感器并連接可移動(dòng)的DNA測(cè)序儀用于自動(dòng)檢測(cè)植物的響應(yīng)以及微生物的群落結(jié)構(gòu)。微生物組-表型組-環(huán)境數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集將被用于預(yù)測(cè)微生物動(dòng)態(tài)，從而使得SynCom應(yīng)用到按比例擴(kuò)大的智能農(nóng)場(chǎng)中成為可能。
編輯∣馮曾威
審核∣姚青
廣東省科學(xué)院微生物研究所菌種組-華南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院土壤微生物組聯(lián)合團(tuán)隊(duì)
