ISME | 英国牛津大学Philip S. Poole团队揭示根瘤菌工程化促进可持续农业发展

利用植物生长促进（PGR）根瘤菌（PGPR）作为农作物接种剂，可以推动农业的可持续集约化，以养活我们迅速增长的人口（Science | 重磅！剑桥大学Giles Oldroyd课题组阐述植物通过共生微生物促进养分吸收！Science | 重磅研究揭示植物如何区分有益和有害微生物！；Science | 专家点评：豆科植物结瘤共生的特异性）。然而，PGPR的田间表现通常是不一致的，这是因为不理想的根际定殖和在异质土壤中的持久性、混杂的宿主特异性、以及在某些情况下，已经出现了抑制PGP性状的不良遗传调控（Science | 重磅！研究揭示微生物选择推动与宿主的共生！）。虽然这些问题背后的遗传学问题在很大程度上仍未解决，但PGP的分子机制已经得到了详尽的阐述。

近日，国际权威学术期刊The ISME Journal发表了英国牛津大学Philip S. Poole教授课题组（PNAS | 英国牛津大学最新研究揭示根瘤菌从根际到共生的生活方式适应机制！）的最新相关研究成果，题为Engineering rhizobacteria for sustainable agriculture的综述论文。Timothy L. Haskett为本文的第一作者和通讯作者。

将PGP性状工程化并随后转移到选定的有效根瘤菌分离株或整个细菌根际群落中，现在提供了一个强大的策略来产生适合农业使用的改良PGPR（ISME | 解读大豆根际微生物群落变化与根瘤菌共生效率的关系！）。通过利用合成的植物与细菌之间的信号传递（Nature Commun. | 研究揭示植物茎-根长距离信号转导系统在结瘤共生中的调控机制！），目前正在尝试在田间建立植物与细菌相互作用的专属耦合（Nature Communications | 新颖而独特的植物碳水化合物受体），这对于优化功效和建立工程PGPR的生物安全性至关重要。这篇综述探讨了这项研究的许多生态和生物技术方面的问题。

PGPR的工程化可以采用自下而上或自上而下的策略。传统的自下而上策略首先是分离根瘤菌，然后通过接合或噬菌体转导将PGP基因簇引入广泛宿主范围的质粒中。相对于容易从细菌种群中丢失的接合质粒，共整合载体系统如mini-Tn7和CRAGE具有长期稳定的优势，是转移的黄金标准。最近定义的自上而下的PGP基因转移策略不需要分离单个细菌，但可以通过接合供体菌株将外源基因原位引入未驯化的种群中。为了说明这一技术，一种微型化的可移动的接合因子ICEBs1衍生物已经通过供体菌株B.subtilis XPORT被移动到不同的细菌接种到无菌土壤中。最近也以类似的方式实现了将整合性BHR质粒原位接合转移到哺乳动物肠道微生物群中。将PGP原位转移到细菌种群中的能力将有助于推动高通量生成再利用的PGPR，并激发了微生物组工程作为一个确定的研究领域出现。

图1：天然PGPR的局限性

图2：多层NH3⁺依赖性抑制固氮的示例

图3：控制PGPR的Rhizopine信号传导

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