“綠色革命”期間，半矮化作物品種和化肥的出現(xiàn)提高了產(chǎn)量和糧食安全。然而，諸如環(huán)境污染和溫室氣體排放等意外后果凸顯了減輕這些影響的策略的必要性。在作物馴化過程中被忽視的根際微生物群落的調(diào)控為可持續(xù)農(nóng)業(yè)提供了一條途徑。
2025年3月20日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤團(tuán)隊（博士后葛安輝為第一作者）在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Cell上發(fā)表了題為：Exploring the plant microbiome: A pathway to climate-smart crops的長篇前瞻性綜述展望（Perspective）。
王二濤團(tuán)隊在文中提出了“共生基因組育種”（hologenome breeding）的概念框架——通過精準(zhǔn)調(diào)控植物微生物群落，培育“氣候智能型作物”（climate-smart crops），在提高作物產(chǎn)量的同時，減少對環(huán)境的負(fù)面影響，從而推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
當(dāng)前，農(nóng)業(yè)貢獻(xiàn)了 20%-25% 的溫室氣體排放，僅合成氮肥的生產(chǎn)和使用就占全球排放的5%，并通過氨揮發(fā)、硝酸鹽淋溶等加劇環(huán)境污染。盡管“綠色革命”通過高產(chǎn)作物品種與化肥農(nóng)藥使全球糧食產(chǎn)量翻番，但也導(dǎo)致作物對化肥依賴性增強(qiáng)、微生物共生功能退化等問題。數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)代栽培作物與微生物的互利關(guān)系較野生近緣種顯著降低，農(nóng)田土壤碳庫穩(wěn)定性下降，農(nóng)業(yè)系統(tǒng)韌性面臨嚴(yán)峻考驗。
圖1.當(dāng)前的挑戰(zhàn)與潛在的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)解決方案
基于此，文章指出，植物與根際微生物構(gòu)成的“共生功能體”（holobiont）是破解困局的關(guān)鍵——根際微生物不僅能調(diào)控植物的養(yǎng)分吸收和脅迫抗性，其代謝產(chǎn)物與殘體更對土壤穩(wěn)定碳庫有重要貢獻(xiàn)。然而，傳統(tǒng)育種長期忽視植物-微生物協(xié)同進(jìn)化形成的生態(tài)功能基因，導(dǎo)致“高產(chǎn)但脆弱”的惡性循環(huán)。
圖2. 解析和改造根際生態(tài)過程宿主遺傳調(diào)控途徑的方法
王二濤團(tuán)隊提出的共生基因組育種框架，首次將植物-微生物互作介導(dǎo)的生態(tài)功能納入育種體系。該框架通過整合植物基因型、根系分泌物和根際微生物組間的關(guān)聯(lián)模型，實(shí)現(xiàn)植物-微生物互作過程的精細(xì)調(diào)控，以優(yōu)化養(yǎng)分循環(huán)、增強(qiáng)作物抗性并加速土壤碳固存。文章提出了兩種具體的共生基因組育種策略：
一是通過植物育種調(diào)控根系分泌物，從而改變根際微生物組功能；二是設(shè)計合成微生物群落（synthetic community）或通過基因改造優(yōu)化微生物功能，實(shí)現(xiàn)跨界信號傳導(dǎo)，以定向調(diào)控共生功能體。
針對環(huán)境異質(zhì)性對植物-微生物互作過程的影響，文章提出農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)微生物組工程策略，通過揭示特定環(huán)境下的植物-微生物互作機(jī)制，實(shí)現(xiàn)作物品種與微生物組的精準(zhǔn)匹配。文章還強(qiáng)調(diào)，將農(nóng)業(yè)管理措施與精準(zhǔn)微生物組工程相結(jié)合，可通過調(diào)控土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)特性，優(yōu)化植物-微生物互作，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)藝和生態(tài)效益的協(xié)同提升。
圖3. 操縱植物與微生物相互作用中功能性狀的工程策略
盡管植物-微生物互作研究已取得顯著進(jìn)展，但其田間應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)。由于根際微生物組對環(huán)境異質(zhì)性高度敏感，微生物接種劑的實(shí)際效果存在不確定性。為此，文章強(qiáng)調(diào)了農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)微生物組工程的重要性，并建議整合人工智能（AI）算法和高通量表型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對植物-微生物互作時空動態(tài)的精準(zhǔn)預(yù)測和智能調(diào)控。文章指出，將微生物介導(dǎo)的生態(tài)功能視為新型植物性狀，并將其整合到共生基因組育種體系中，有望為應(yīng)對糧食危機(jī)、環(huán)境污染和氣候變化等全球性挑戰(zhàn)提供植物解決方案。
圖4. 實(shí)現(xiàn)自施肥作物的策略
圖5. 適應(yīng)和緩解全球氣候變化的策略
圖6. 整合分子生物學(xué)技術(shù)與農(nóng)業(yè)管理措施以系統(tǒng)強(qiáng)化農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的多重功能
總的來說，研究團(tuán)隊提出，調(diào)節(jié)植物微生物群落有助于培育“氣候智能型作物”，從而提高產(chǎn)量并減少對環(huán)境的負(fù)面影響。文章中提出的框架整合了植物基因型、根系分泌物和微生物，以優(yōu)化養(yǎng)分循環(huán)、增強(qiáng)抗逆性并加速碳固定。將未選擇的生態(tài)性狀納入作物育種可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性，闡明植物遺傳學(xué)與生態(tài)系統(tǒng)功能之間的聯(lián)系。
原文鏈接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00104-7
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