【原】【LorMe 周刊】植物的新型现代医疗模式——微生物组工程技术

作者：薄纯斌，南京农业大学硕士在读，主要研究资源调控微生物互作。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍微生物组工程技术，及其应用和所面临的挑战，原文于2020年发表在《Trends in Biotechnology》上。

导读

通过接种植物根际促生菌(PGPR)来改变植物根际微生物组，可以促进植物生长并减轻其生物和非生物胁迫。微生物组工程是一种新兴的提高作物产量和作物抗逆性的生物技术。微生物组工程的间接作用方式是使用土壤改良剂或特定资源物质，直接作用方式是接种特定的益生菌、合成菌群以及微生物组育种和移植。本文强调了为什么、如何将微生物组工程应用到农业领域，以及其实现商业化必须解决的问题。

主要内容

一、目前农业发展的制约因素和解决方案

由于人们对粮食产量的需求不断增加，从而导致化肥的大量施用，因而引起了土壤退化、营养污染等一系列环境问题。而施用植物有益微生物作为一种可持续农业发展方式受到人们广泛关注。本文探讨了如何利用植物与有益菌之间的互作关系来提高农作物产量的几种策略，侧重于如何将微生物组工程纳入到农业实践中，以及如何利用微生物组工程进一步提高作物产量和抗逆性。

二、传统的微生物工程技术

①应用土壤改良剂包括施用有机和无机添加物或农业耕作方法。②应用非传统的有机添加物，例如生物炭以及土壤藻类。③应用一些微生物制剂包括微生物肥料和生物杀虫剂，通常是单株施用或多株联合施用。

微生物组作为生物体的“第二基因组”，未来对植物、动物和人类的诊断和治疗将重点针对于对微生物组功能的了解和操纵。如图1所示，植物可以通过分泌特定根系分泌物来招募有益微生物，它们这种复杂的相互作用可以给宿主植物带来多种益处，包括植物的系统获得抗性(SAR)和诱导系统抗性(ISR)。同时，也有必要探索植物和人体微生物之间的相似之处，研究发现，植物根系作为植物“肠道”，两者构建微生物群落结构的原则有所相似。例如，益生菌和益生元(可特异性诱导有益微生物生长或活动的化合物)是治疗肠道紊乱和相关疾病的一种疗法，这种疗法也同样适用于植物根系种，植物根际有益菌群的益生元是改变植物微生物组成的根系分泌物或特定资源物质，可以影响营养物质的可获得性以及植物体的生长和发育。进一步研究可能揭示各种微生物组定殖人体器官和定殖植物器官的机制异同。下文回顾了植物与其微生物组之间存在互作关系的依据，并列举了构建具有所需功能的微生物组的实例。

图1 植物及其相关微生物组之间有益的相互作用及其给宿主植物带来的多种好处。系统获得抗性(SAR)和诱导系统抗性(ISR)是通过植物代谢相关分子模式(MAMPs)和根际促生菌(PGPR)这两种方式获得的。

三、构建具有所需功能的微生物组

根际微生物组是植物生长发育的主要决定因素，它可以促进植物营养物质的吸收，免受生物和非生物胁迫。研究发现，可以通过在根际添加肥料（有机肥或无机肥）或特定资源物质(包括根系分泌物)来为其招募所需的微生物群落，也可以直接接种关键的微生物菌株，以改变微生物群落的结构。例如，将解淀粉芽孢杆菌、杆状芽孢杆菌和不动杆菌UQ202接种到辣椒植株的根系，可促进植株生长，同时还能抵抗土传辣椒疫霉菌的侵染。种子微生物作为植物内生菌也被证明可以改善萌发、植物生长发育，并且可以世代遗传，正如植物根系通过根系分泌物富集根际有益微生物一样，根系也可以招募有益微生物作为植物内生菌。

四、微生物工程的新兴领域

植物和微生物之间的互作关系可以通过采用特定的方法来优化，从而提高植物产量和抗逆性。如图2所示，这些方法包括土壤添加剂(包括有机土壤改良剂和根系分泌物)、合成菌群、微生物组培育和移植、宿主介导的微生物工程。

图2 微生物工程实际应用的几种策略。

（1）利用有机土壤改良剂和根系分泌物来吸引和维持有益的微生物群落

与施用化肥的土壤相比，有机改良土壤通常拥有更好的微生物群落，具有更多功能上相互关联的物种从而具有更活跃的微生物活动。为了更好地了解土壤健康，有必要对与特定有机改良物有关的微生物的功能团体进行特征描述。从而在不同土壤中优化有机改良剂的使用，将建立可持续土壤健康及其微生物生态系统服务。

植物信号分子，如水杨酸和各种根系分泌物，也对根际微生物群落的组成和动态变化具有较大影响。例如，香豆素作为一种酚类根系分泌物，可以在根系微生物组调节中发挥作用，可以抑制植物病害的发生和帮助植物从土壤中获得更多的生物可利用铁。鉴别哪种分泌物吸引哪种微生物变得更有意义，因为这将有利于植物招募特定PGPR。

（2）合成菌群

合成菌群类似于合成生物学，能够对植物微生物组的结构和功能进行重组。这有可能解决传统微生物肥料的一些缺点，例如不相容性、微生物内部无效的竞争以及对当地环境的不适应。设计理想合成菌群的各个步骤包括选择微生物的营养来源，获得和培养核心微生物，根据它们的相容性优化微生物的相互作用，以及评估合成菌群的功效。据报道，一个由恶臭假单孢菌、阴沟肠杆菌和弗氏柠檬酸杆菌组成的细菌联合体可以增加土壤中磷酸盐的可利用性，使作物产量提高两倍。

（3）微生物组培育和移植

微生物组培育的原则是宿主植物培育几代之后依然可以促进有益微生物生长。该过程包括间接选择微生物组，让宿主筛选哪些微生物可以与其相互作用，哪些微生物会传给后代。今后的研究应侧重于优化选择方法，量化宿主植物传代变化以跟踪微生物组内的代谢变化，确保选定微生物组的稳定性，开发实用的微生物组移植方法，并在田间试验中评估其改善作物生产的功能。

（4）宿主介导的微生物工程

植物基因型对根际微生物群落的组成和功能以及PGPR的利用起着至关重要的作用。在微生物组水平上，不同基因型的植物根系所吸引有益微生物也不同，在植物-有益微生物互作期间研究植物功能基因组发现，通过操纵植物基因组能够招募特定有益微生物类群。

结论

目前的工业化农业的发展应秉持可持续发展的原则，应在保证粮食增长的基础上，减少对环境的污染。本文探讨了植物—微生物之间相互作用的复杂性，未来的研究应该侧重于在不同的种植环境应用不同的PGPR，同时能够确保其持久性。在实际应用之前，还需要充分表征各种作物的有益微生物的类型，并对其机制进行分类和量化(使用宏转录组学、蛋白质组学和代谢组学进行功能分析) 。微生物组工程的主要挑战仍然存在，选择使用哪些新兴技术还应该基于以前对特定作物、土壤和环境的研究，以及这些方法如何才能与传统种植制度结合起来。

论文信息

原名：Plant Microbiome Engineering: Expected Benefits for Improved Crop Growth and Resilience

译名：植物的新型现代医疗模式——微生物组工程技术

期刊：Trends in Biotechnology

发表时间：2020.12

通讯作者：Peer M. Schenk

通讯作者单位：澳大利亚昆士兰大学农业与食品科学学院植物-微生物互作实验室