Nature Food | 墨尔本大学贺纪正团队综述土著作物微生物组对可持续农业的潜力！

现代农业实践主要依靠工业生产的农药（例如化肥和农药）来促进粮食生产。这些集约化的农业制度加剧了温室效应，并造成了严重的环境问题，例如大气污染、地表水和地下水富营养化以及土地酸化和降解。因此，要想实现可持续农业生产的理想道路，就需要能够使农作物生长最大化的新颖农业生物技术，例如更高的氮和磷利用效率、固碳和对胁迫的抵抗力（Nature Plants | 美国普渡大学综述在不同农业生态系统中进行精准微生物组管理的新兴策略！Nature Plants | 可调控的农作物只需一喷即可：对作物进行瞬时重编程以提高农艺性状！Nature Plants | 英国谢菲尔德大学综述实现粮食和气候安全的全球农业新方法！Nature Communications | 在实验室外进行合成生物学的应用，挑战和需求！“少肥多产”不是梦）。

在过去的十年中，人们越来越认识到，与真核生物相关的微生物为其宿主提供关键的生物学功能（Nature | 年度重磅合集：植物微生物组！Nature Reviews Microbiology | 植物-微生物互作：从群落组装到植物健康；Nature Microbiology | 微生物组创新，实现可持续发展的未来！）。作物微生物组是与作物相关的微生物，包括细菌、真菌、卵菌、病毒、古细菌和原生生物。它们提供一系列基本的生物学功能，包括营养获取、免疫调节和胁迫耐受性。在某些情况下，植物微生物组的重要性甚至超过了宿主应对植物生物和非生物胁迫的重要性（深度解读：如何操控植物微生物组改善农业？Nature Reviews Microbiology | 专家点评：作物微生物组与可持续农业；Trends in Biotechnology | 微生物组工程：可持续农业中的植物微生物合成生物学）。例如，大多数植物物种可以与微生物建立互惠合作关系（例如，菌根和豆科植物-根瘤菌）以克服磷和氮的短缺。在植物根部和土壤真菌之间建立的菌根无处不在，为植物提供了一系列好处，包括增加了养分的获取以及对非生物和生物胁迫的耐受性/抗性。在宿主植物和真菌之间的共同进化中，菌根已发展出四种主要类型：丛枝菌根、外生菌根、兰科菌根和杜鹃类菌根。作为最主要的类型，丛枝菌根可以与72％的已知陆地植物物种建立共生相互作用。作为营养共生，丛枝菌根可以通过相互交换养分来增加其宿主养分的获取，其中丛枝菌根从其光合作用宿主中获得固定的碳（糖和脂质），并为宿主植物提供水分和矿物质养分。丛枝菌根还可以通过增强植物抗氧化酶的活性来减轻其氧化胁迫并提高水分利用效率，从而赋予宿主抗旱性。

近日，权威学术期刊Nature Food发表了澳大利亚墨尔本大学贺纪正教授团队题为Potential of indigenous crop microbiomes for sustainable agriculture的综述论文。

在长期共同进化过程中，土著农作物与其相关微生物群落的密切互动增强了农作物应对生物和非生物胁迫的能力和灵活性。这代表了一个有前途的未开发领域，科研人员正在寻找新颖的工具来可持续地提高农作物的生产力。但是，由于分离目标功能微生物的效率低下，目前利用土著作物微生物组进行可持续作物生产的能力受到限制。本文着重介绍了利用本地农作物微生物组减少农用化学品投入并提高农作物对生物和非生物胁迫的抵抗力的潜在好处和现有挑战。并且提出了一个框架，该框架使用基于拉曼光谱的单细胞分选技术与合成群落方法相结合，以在受控条件下设计和优化功能可靠的“有益微生物组”。该框架将为可持续农业提供机会，并为今后的研究提供新的方向。

图1：当前用于分析不同群落组装过程的相对重要性的生态模型

图2：驯化对植物表型和植物微生物组多样性的潜在影响

图3：基于拉曼光谱的功能性单细胞框架，旨在设计有益的微生物群落以改善植物固氮能力

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