人口的不断增长导致对粮食的需求日益增长。然而，由于土地退化、气候变化以及其他众多因素的制约，农作物的产量要满足日益增长的需求是极具挑战的。利用农作物微生物组技术并开发生产相关产品，被认为是具有前景的应对方法。不过，此类方法也存在一些挑战。今天，我们特别编译了发表在 Nature Reviews Microbiology 杂志上关于农作物微生物组的文章。希望本文能够为相关的产业人士和诸位读者带来一些启发和帮助。全面评估农作物微生物组的结构和功能，是可持续农业开发有效、合理的微生物组技术的迫切需求之一。这项工作将为不同作物物种与其微生物组间的关键生态关系和进化互作提供新的知识，有助于提高农业产量。到 2050 年，全球的食物产量预计需要增长 70%才能满足日益增长的人口需求1。然而，由于持续的土地退化、土地肥力下降、气候变化和越来越多的极端天气，目前农业的情况想要满足这样的要求是很困难的。另外，经济（如高成本低利润）、社会（如消费者对无化学食品的需求）、环境（如减少水和空气污染）、政策（如欧盟绿色协议）的发展也需要能够同时提高农作物产量和实现环境可持续的创新方法2。因此，包括粮食及农业管理局（Food and Agriculture Authority，FAO）及学术团体（如美国科学院）在内的多个组织，都在大力鼓励发展创新自然产品，以作为传统农业食物和膳食纤维的补充，确保粮食和纤维的持续供应1,3。要在保证食品安全的同时又能实现生态友好的最有希望的长期解决方法之一是利用与农作物紧密相关的微生物组2,3。这些微生物能够解决资源可用性、植物健康以及对生物的和非生物胁迫的恢复能力等问题。人们已经充分认识到了农作物微生物组的功能潜力，当前出现了大量专注于微生物产品的公共和私人投资，旨在支持传统农业并提高农业产量。因此，农业微生物产品属于增长最快速的全球产业，年增长率为 17%，预期到 2026 年，产值将达到 120 亿美元4。相反，由于监管的要求和消费者对低化学残留食物的需求，基于化学制剂的产品（目前市值为 2500 亿美元），特别是杀虫剂，预计其市值将会减少。比如，欧盟表示到 2030 年要减少 50%的化学杀虫剂的使用，并使用生物制剂进行代替5。尽管土壤微生物和植物微生物在农作物的产量方面有重要的作用，但是我们认为基于植物微生物组开发的工具，包括内生菌（生活在植物组织内的微生物）和根际（与作物根系相关的土壤）微生物组，相比于土壤（没有附着于农作物根部的土壤）微生物更有可能成功。利用植物微生物组更有可能成功的原因是植物和它们的微生物组之间存在的生态进化互作（eco-evolutionary interactions）。这包括微生物组与根际根系分泌物化学多样性的代谢耦合需求所导致的选择压力，以及由植物免疫系统引起的只允许少数微生物组富集的内生层的过滤效应。另外，植物与微生物组间紧密的物理联系对作物产量也有很大的影响。因此，调节这一关系的工具（例如，种衣剂或组织培养）均有可能支持基于农作物微生物组方法的成功2,6。农作物核心微生物组是指植物微生物组中的一组微生物，与特定的农作物种类相关，并且在任何环境条件下都存在，与农作物共同进化，发挥重要作用。农作物核心微生物组的新科学知识可能可以用来开发有效的植物微生物组工具、生物活性代谢物和二者的组合物，以提高农作物的产量7。然而要实现农作物微生物组的全部潜能，提高产量并可持续耕地，需要对农作物微生物组的结构和功能及其与宿主之间在不同地区、不同土地种类上的互相作用有更好的了解，在某种程度上这与人类微生物组计划的目标类似。目前，微生物接种剂（microbial inoculants）的使用已经在农艺方面的一些问题上起了一定的作用，然而，大范围的使用率依然较低，主要是由于在某些环境条件下出现了效果不稳定的情况7,8。这种现象是由一些科学和技术因素导致的，包括缺乏定植和/或表型的表达、与土壤中的微生物存在竞争、缺乏植物-微生物相互识别和植物驱动的定向选择。微生物组技术想要在农业系统中的成功应用，需要填补一些知识上的空白，主要包括以下方面：对农作物核心微生物组中的关键种类和功能作用的认识；对作物微生物组的建立、动态变化和稳定性的生态进化过程（例如，通过驯化过程）的控制；不同环境条件下影响农作物产量的植物-微生物互作网络和信号通路的鉴定；以及微生物组对宿主中控制农作物产量的基因、表型、健康的影响的认识。类似地，目前技术上存在的不足限制了当前产品的成果转化，包括提高引入微生物的定植效率的产品及技术的短缺，和在适宜的位置操作微生物组来吸引或维持有益微生物的活性的有效工具2,6,8,9。另外，一些监管（注册与安全要求）和社会风险（例如公众的感知和接纳）仍是限制因素，需要积极应对以帮助未来商业化和应用的成功。微生物产品预期将能够有效提高农业的产量、抵抗全球变化、实现可盈利和可持续，并且减少化学类产品的使用。然而，要达到这些预期目标，首先，需要利用多种方法来产生创新的解决方法和工具，包括开发针对农作物核心微生物组的微生物产品和工具，确保产品与宿主及其微生物组能够兼容；使用生物化学物质（如吸引有益微生物的信号分子）的原位微生物组工程的创新方法；利用遗传工具（如植物育种、利用吸引有益微生物的基因组特性进行基因编辑）和微生物工具（激活其他有益微生物的微生物群落）；以及采用一种跨学科的方法来确保微生物组工具能够成功整合到传统农业中。这些科学的和技术上的进步应该与旨在确保全球经济公平竞争的政策（比如《名古屋议定书》）、农民培训和资源配置同步。另外，可以采用有效的交流来管理政治、公共和商业化风险，并将重点放在长远的发展而非短期的成果。虽然全球农作物微生物组方面产生的新的科研成果为全球农作物微生物组提供了一些基础数据（如作物微生物组和可持续农业全球倡议，旨在提高我们对全球作物微生物组结构和功能的生态进化驱动力的认识），并且国际间的政策（国际生物经济论坛）也在积极制定之中，但是这些行动仍然需要扩大范围，或者采取更多的同类型行动来提供有效的解决方案。如果这些问题能够得到系统解决，那么，新的农作物微生物组工具将会给农业产量和利润，微生物产业的增长，环境的可持续发展，带来革命性的变化。（滑动下文查看）
1. http://www.fao.org/3/ca6767en/CA6767EN.pdf (2020).
2.Singh, B. K. & Trivedi, P. Microbiome and the future for food and nutrient security. Microbial. Biotechnol. 10, 50–53 (2017).
3.National Academies of Science, Engineering and Medicine. New Report Identifies Five Breakthroughs to Address Urgent Challenges and Advance Food and Agricultural Sciences by 2030. http://www8.nationalacademies.org/onpinews/newsitem.aspx?RecordID=25059 (2018).
4.Stratistics Market Research Consulting. Agricultural Microbials - Global Market Outlook (2017–2026). https://www. researchandmarkets.com/research/vdth4t/global?w=4 (2020).
5.European Commission. Farm to fork fact sheet https://ec.europa.eu/ commission/presscorner/api/files/attachment/865559/factsheetfarm-fork_en.pdf.pdf (2020).
6.Trivedi, P., Leach, J. E. & Tringe, S. G. et al. Plant–microbiome interactions: from community assembly to plant health. Nat. Rev. Microbiol. https://doi.org/10.1038/s41579-020-0412-1 (2020).
7.Qiu, Z. et al. New frontiers in agriculture productivity: optimized microbial inoculants and in situ microbiome engineering. Biotechnol. Adv. 37, 107371 (2019).
8.Kaminsky, L. M. et al. The inherent conflicts in developing soil microbial noculants. Trends Biotechnol. 37, 140–151 (2019).
9.Busby, P. E. et al. Research priorities for harnessing plant microbiomes in sustainable agriculture. PLOS Biol. 15, e2001793 (2017).
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41579-020-00446-y
作者｜Brajesh K. Singh, Pankaj Trivedi, Eleonora Egidi, Catriona A. Macdonald and Manuel Delgado- Baquerizo