“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，中國科學院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心王二濤團隊（博士后葛安輝為第一作者）在國際頂尖學術期刊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——通過精準調控植物微生物群落，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)境的負面影響，從而推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
當前，農(nóng)業(yè)貢獻了 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，但也導致作物對化肥依賴性增強、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)韌性面臨嚴峻考驗。
圖1.當前的挑戰(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成的“共生功能體”（holobiont）是破解困局的關鍵——根際微生物不僅能調控植物的養(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。然而，傳統(tǒng)育種長期忽視植物-微生物協(xié)同進化形成的生態(tài)功能基因，導致“高產(chǎn)但脆弱”的惡性循環(huán)。
圖2. 解析和改造根際生態(tài)過程宿主遺傳調控途徑的方法
王二濤團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聯(lián)模型，實現(xiàn)植物-微生物互作過程的精細調控，以優(yōu)化養(yǎng)分循環(huán)、增強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控根系分泌物，從而改變根際微生物組功能；二是設計合成微生物群落（synthetic community）或通過基因改造優(yōu)化微生物功能，實現(xiàn)跨界信號傳導，以定向調控共生功能體。
針對環(huán)境異質性對植物-微生物互作過程的影響，文章提出農(nóng)業(yè)精準微生物組工程策略，通過揭示特定環(huán)境下的植物-微生物互作機制，實現(xiàn)作物品種與微生物組的精準匹配。文章還強調，將農(nóng)業(yè)管理措施與精準微生物組工程相結合，可通過調控土壤理化性質和生物學特性，優(yōu)化植物-微生物互作，從而實現(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展，但其田間應用仍面臨挑戰(zhàn)。由于根際微生物組對環(huán)境異質性高度敏感，微生物接種劑的實際效果存在不確定性。為此，文章強調了農(nóng)業(yè)精準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，實現(xiàn)對植物-微生物互作時空動態(tài)的精準預測和智能調控。文章指出，將微生物介導的生態(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，有望為應對糧食危機、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. 實現(xiàn)自施肥作物的策略
圖5. 適應和緩解全球氣候變化的策略
圖6. 整合分子生物學技術與農(nóng)業(yè)管理措施以系統(tǒng)強化農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的多重功能
總的來說，研究團隊提出，調節(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農(nóng)業(yè)的可持續(xù)性，闡明植物遺傳學與生態(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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