下一代微生物组技术在作物生产中的应用——局限性以及基于知识的解决方案的需求

Next generation microbiome applications for crop production — limitations and the need of knowledge-based solutions

Current Opinion in Microbiology [6.916]

2019-11-12，Review

原文链接： https://doi.org/10.1016/j.mib.2019.10.006

第一作者：Birgit Mitter

通讯作者：Angela Sessitsch

合作作者：Gu¨ nter Brader, Nikolaus Pfaffenbichler

主要单位：

1. 奥地利，AIT奥地利GmbH技术研究院，生物资源部 (AIT Austrian Institute of Technology GmbH, Bioresources Unit, Konrad-Lorenz-Strasse 24, 3430 Tulln, Austria)

摘要

植物与高度多样化的微生物组息息相关，微生物组是宿主植物执行重要生理功能的关键因子。本质上，微生物组参与营养供给、拮抗病原体、帮助宿主抵抗不同类型的环境压力等过程。许多研究中（主要是温室条件下），已经证明了微生物接种剂的潜力。但是复杂的田间环境给微生物组的应用带来了挑战，这种挑战体现在使用的微生物通常不能够达到足够的细胞数量，不能迅速竞争（生态位），不能介导或需要某些特定的条件才可介导期望的作用。具体例子如使用微生物作用生物肥料或进行生物防治仍存在诸多困难。我们对接种剂接种后的变化以及共生体的相互作用（植物、微生物以及环境的相互作用）的理解仍然有限。对这些知识的深入探索将为建立可预测某一菌株或某些菌组合共生体的行为模型提供基础，并且有助于鉴定在某些条件下可以介导期望作用的微生物组成员。此类模型还可以提供调整、管理微生物组最佳方式的信息。同样，微生物接种剂的更好的储运方法以及通过植物基因型选择可以与宿主更好互作的微生物接种剂等也是有前景的研究方向。

前言

植物是高度多样化的、动态的微生物组的宿主，这些微生物对宿主有着重要的功能。与人体微生物组对健康的影响类似，植物相关的微生物可以保护宿主免受病原体和害虫侵袭，有助于植物利用营养，并提高植物的抗逆性。一些植物共生菌，例如固定氮的根瘤菌或丛枝菌根真菌在过往的一个世纪中被广泛研究，并且已经成为几种微生物肥料产品的组成部分，但对植物微生物组的研究只是刚刚起步。大量研究证明了与植物相关的微生物在改善植物营养利用，产量以及对非生物胁迫和病原体的耐受性方面有着相当有潜力的作用，尤其是在温室条件下。在日渐深入的对微生物组有益功能的理解的基础上，人们对基于微生物组开发可持续策略解决作物生产中的实际问题产生了浓厚的兴趣。结合模式植物，我们越发的了解植物微生物组的复杂性，对微生物组的基因组描述、预测潜在的功能、以及对单个菌株或合成群落的理解方面都有诸多研究，但在生态学和机械动力学方面的研究依然不足以服务实际应用。本文综述了当前微生物应用和开发上的主要局限性，并提出了开发利用微生物有益功能在作物生产中的更有效且可重现应用的潜在方法。

一、利用微生物解决作物生产的瓶颈

Bottlenecks in making use of microbial solutions for crop production

微生物在农业生产中应用的大目标应该是，所使用的菌株或菌群在田间使用后可以定殖并且表现出期望的功能。需要配套适用于各种农业环境的使用方法和产品，所使用的菌株或菌群应与竞争关系的天然微生物菌群不同。多种多样的环境非生物因素影响生物间相互作用的过程和结果，比如光强度，温度，pH，土壤类型，土壤养分以及稀有元素含量等。这些非生物因素协同生物因素不仅直接影响所施用的微生物，还影响着整个共生体（宿主和其相关的共生物类群的集合），继而可能影响生物多样性。Sanchez-Cañizares等人已经讨论了接种，特别是人工合成菌群的接种对植物微生物组的影响，这种操作可以改善植物全生命周期的生长发育。但是只有更好的理解这些相互作用，更深入地理解生态学以及在农业环境中让微生物展现出来的所需要功能的方法，我们才能在农业环境中开始使用微生物，实现实际应用。与此同时，我们还急需更加实用的施用方案， 生产合适剂量的微生物接种制剂，确保接种制剂的质量以及合适的剂型。剂型的开发仍然是一个挑战，尤其对于革兰氏阴性细菌而言。

二、未来如何利用微生物组

How to capitalize on microbiome discoveries in the future

接种微生物的新概念

New concepts of inoculation

大量研究表明，微生物具有改善植物健康和生长的巨大潜力。然而现阶段仍需要改善可变的田间条件下的定殖效果和功能效果来增加有益作用的可再现性(reproducibility)。对此，更需要深入了解接种的菌株或菌群和环境（包含目标植物、土壤、相关微生物组(micro-biota)和大型菌群(macro-biota)、非土壤的环境条件等）之间的相互作用，我们进而知道更有针对性的使用更有效的微生物制剂。结合系统生物学方法和“组学”工具以更好地了解植物与微生物相互作用，重点关注和加强有益相互作用的概念是一个宏伟的目标，它提供了一个有前景的途径，即结合接种方法、微生物种类、植物基因型、植物育种等多种影响系统内有益相互作用的途径改善农业生产实践。同时，在施用微生物的环境中，就定殖情况、期望性状的表现、对目标植物的影响来说，接种微生物的行为以及选择的剂型都是需要考虑的重要问题。如，随着对植物与微生物组间相互作用的不断理解并分析，设计不同的、互补的、定殖在不同生态位的微生物组将成为可能。同理，在多种田间条件下检测这些菌群的定殖和行为可以极大的支撑更有效的微生物田间应用的开发。

随着微生物在不同生态环境和时间动态中的研究的深入，我们将能够更好的理解指导微生物群落调节的特定生态学环境的概念。在这种情况下，模型的应用可以让我们更好的预测微生物接种的结果，根据Schlaeppi和Bulgarelli的建议，建模可以选择具有特定环境所需功能特征的微生物菌株或群落（图1）。一些研究已经指出了复杂的微生物组网络分析的概念，通过网络可以识别影响宿主的候选功能菌群。此外Herrera Paredes等最近证明了合理设计的合成菌群可以在磷酸盐饥饿下调节宿主植物的表型。使用微生物接种剂在微生物网络中的位置取代功能特征来选择微生物接种剂的菌株或菌群，将找到存在微生物间相互作用的更加稳定可靠的微生物接种剂。如最近对核心微生物菌群，即由主要的细菌成员组成的核心微生物组的讨论，证明了核心微生物对植物生长的重要性。核心微生物组通过共同进化和宿主富集作用得以确立，被认为包含对宿主有重要意义的微生物类群。分离培养这些可能介导核心功能的核心微生物组成员并检测这些菌株或菌群在目标环境中的预期效果和性能是一个有前途的方向。Hu等人提出的基于生态框架设计接种菌的方法可以提高细菌活性，是另一种方法。有研究指出，含有多种假单胞菌的细菌制剂比单一假单胞菌细菌制剂表现出更好的存活率、生物防治效力及生物肥料活性。这些非常前沿的概念将使微生物制剂的应用提高到新的水平，它们现阶段需要进一步的测试和验证，力争精确监控所应用的菌株组成的菌群命运和行为。与此同时，还需要研究这些方法如何改善各种植物性状，以及如何将这种特异性选择出的菌群推进市场。当前在诸多国家中，微生物菌群的注册登记和生物防治应用以及生产应用都存在重大的挑战。任何微生物制剂产品必须有合理的成本生产、合理的保存期限和稳定性，因此需要不同的剂型来满足不同微生物的需求。

图1. 深入了解共生生命体的相互作用和功能将引领基于知识的微生物组的应用方法的开发。如 i）有利于植物与微生物相互作用的育种选择；ii）通过更明智的微生物接种剂的选择补充微生物功能；iii）选择合适的农业生产实践方法富集具有所需功能的微生物。

Wubs等人测试了向土壤中引入新菌群的土壤移植概念。他们发现土壤移植的接种方法在促进生态系统恢复和影响植物群落发展方面非常有效。当表层土壤被含有菌群接种剂的土壤交换时，这种效果显著出现，不过当向土壤中引入接种剂菌群时也可以得到显著的效果。尽管这种方法在大规模农业应用中可能实际缺乏可行性，但对于小众的应用（例如恢复退化的土地或转变土壤微生物功能）可能有着独特的作用。同时这种方法还可以指导生产创新产品：土壤基质与微生物菌群的混合产品。

近年来，微生物定殖植物的生态位适应性的生物学研究已取得了很大的进步。对微生物在植物生殖器官定殖途径的研究，进一步发展了新的微生物组应用方法，如将微生物靶向接种至植物种子中，种子为接种菌株提供了保护，并比土壤微生物更具竞争优势。包装在种子中的微生物接种剂，可以在种子内部携带微生物组从而避免再次接种，这相对于向植物施用微生物制剂有很大优势。与常见的应用方式相比，接种菌株的定殖上也更有优势，这是推动应用技术向前发展的一种有效的方法。类似的，易定殖的菌株可以作为植物、植物内生真菌、真菌内生细菌的三方媒介，更好的促进植物生长，如Rhizobium radiobacter 和它的宿主真菌Piriformospora indica。

植物释放信号分子吸引微生物并诱导微生物定殖植物，同时微生物代谢产物在定殖事件中也有着至关重要的作用，这一途径也可以用来设计改良微生物接种剂。如胞外多糖对固氮内生真菌Gluconacetobacter diazotrophicus 的定殖是必要的；表面活性素介导了芽孢杆菌的特异性定殖。将微生物菌种和植物源或微生物源的代谢物组合成制剂可以改良微生物制剂的田间应用。对于相关参数和相互作用对结果的影响，还需要在田间进行证明，探索信号化合物的有益效果。

三、通过育种改善植物与微生物的相互作用

Breeding for improved plant–microbe interactions

在农业中更有效的利用微生物的一个重要方向是提高植物的响应能力，进而提高植物和微生物间的相互作用和微生物的定殖。迄今为止，植物育种的目标主要集中在提高产量和提高对病原体的抗性上，这一过程导致了现代农作物遗传多样性的减少。在大麦和小麦的研究中，已经发现了植物基因型可以影响微生物组的组成。植物对相关微生物的响应是依赖植物基因型的，这一过程在进化过程中得以发展。因此，经典育种可能影响了有益的植物与微生物之间的相互作用，例如，在对营养利用相关表型的育种筛选中，不存在病原菌的环境压力，导致得到的品种丧失了抵抗病原菌的微生物组的有益组分。不过，通过育种改善植物与微生物相互作用也存在挑战，如植物微生物有效互作所必须的性状可能关联多个位点，再如存在环境和田间管理对应用微生物的形式以及种类的影响。尽管如此，仍有潜力繁育选择更好基因型的植物来促进植物与微生物更有效的互作。如改变植物分泌物组成促进与微生物的互作。在抗性育种方面，已经有案例引入古老品种或野生近缘种的性状来克制病原体的易感性。如将针对疫霉的抗性基因引入马铃薯品种。这些育种需要几轮回交，非常耗费，但显现出成功的（重新）引入了野生植物的性状。这也是提高植物与有益微生物互作的目标，不过需要长期的育种努力。Mendes等还指出菜豆的抗性育种导致了补充的保护植物性状的微生物类群的富集，有助于提高植物对生物胁迫的适应性。识别这些性状和菌群的关联，也有助于选育特定植物性状来富集需要的微生物组成员。除了经典的育种方法外，现代生物技术方法还提供了更强大的育种工具，如利用基因编选育可以调节根系分泌物代谢并吸引有益的微生物群的植物。

四、以微生物组为基础的预测系统和通过作物管理进行调节

Microbiome-based prediction systems and modulation via crop management

与人类微生物组研究相似，微生物生态学家正在寻找植物微生物组的组成与植物表型性状之间的相关性，并希望通过这一途径可以基于微生物组数据预测植物性状，并通过调节微生物组实现植物产量的最大化。开发通过微生物组数据预测植物表型的工具需要的研究背景远高于对微生物群落描述的基础研究，需要将微生物组数据与植物机能联系起来。在复杂群落中鉴定影响植物表型的微生物类群，最有潜力的方法之一是机器学习，这种方法可以指导确定靶向某种功能的微生物接种剂。另外，未来这种算法可以指导整合微生物组功能的精确农业。如选择合适的种植材料（包含所需微生物组的植物种子、块茎）或合适土壤（包含针对特定植物基因型的有益微生物），这种合理设计的微生物组可以更好地支持植物的健康生长。

除此之外，使用基于知识发展的土壤微生物组管理的方式是另一种有潜力的方法。这种方法并不是全新的。几个世纪以来，三田轮作(three-field crop rotation)一直是农业的普遍做法。这种做法有助于平衡土壤中营养成分和防止土壤退化，减少植物病害及虫害。减少作物受植物病害和某些动物害虫的侵扰。鉴于根系分泌物的差异，不同的植物偏好土壤中的不同的有益微生物，因此轮作也可能促进土壤中微生物的多样性。同时，间作不同的作物，不同种类的植物根系彼此直接相互作用，对土壤肥力和微生物多样性及活性产生积极作用。现有研究已经证明了各种有机质的施用有助于抑制疾病。在未来的耕作方法中，可以使用管理耕作强度等方法来操纵土壤微生物，富集有益的微生物，确保植物产量的同时提高养分利用率。尽管这些已有的作物管理技术的效果已经众所周知，但是基于知识的方法将引导农民针对既定的目标采取最有益的农业管理措施。理解可以抑制疾病土壤的机理将指导我们采取合适的措施调配土壤使其抑制疾病。但使用这种技术需要对微生物的作用有深入的了解，并且需要使用预测工具预测使用各种耕种方式的结果。理想状态下，这种方法可以和基于知识修正，调节微生物的信号化合物（如植物提取物）、资源节约的施肥方法以及微生物接种剂结合使用。

总体而言，通过微生物组功能扩展精准农业的概念具有巨大潜力。为农民开发可以预测土壤对特定农业目标的适应性工具，如预测种植何种作物最合适，使用何种耕种方法最合适，可以最大限度地利用土壤和植物微生物组的优势使植物更好的获取营养，适应逆境，更健康的生长。此外，应该向农民提供有关微生物接种剂的信息和提高特定微生物类群活性的方法。

结语

植物与土壤微生物组互作对于植物生长、健康以及对不利环境的耐受性至关重要。以接种制剂的形式施用的微生物在一定程度上显示出了巨大潜能，但大部分研究在温室条件下进行，当在野外施用时常常失效。目前微生物接种剂的选择主要基于自下而上的原则，以求获得更好的生防和促生潜力，并且通常在田间施用前，需要在温室条件下接种显示出需要的效果。考虑到剂量的确定、接种菌株与菌株间或和环境间的生态行为的特定相互作用，田间的应用需要基于一定的知识。与温室相比，田间条件在许多方面有所不同，进一步限制了温室向田间使用的转化。这些限制需要更多的基于知识方法的创新以及考虑土壤微生物组和植物微生物组的复杂性。通过整合微生物组功能扩展精准农业是未来农业发展的有潜力的方向。在特定的环境中通过模型预测所需要的（或缺少的）的功，能选择合适的耕种方法是可以支持方向之一。

同时，考虑目标野外环境的预测模型和生态框架可以指导我们更好的选择接种的菌群。在接种物制剂方面，考虑种子内生菌的定殖等方面，可能会致使更多的微生物接种方法上的创新。这种模型的方法也可以用于调整土壤微生物组来使其适合相应的农业时间，帮助促成某些特定植物表型的产生。最后，选择最合适的植物基因型或通过育种手段选择合适的新品种将促进植物与有益的微生物间的相互作用，这也是更好的利用微生物组的其他方法之一。

编译：徐浩然，中科院遗传发育所博士在读，根系微生物组与营养吸引

编辑：刘永鑫，中科院遗传发育所工程师，微生物组数据分析方法

Reference

Birgit Mitter, Günter Brader, Nikolaus Pfaffenbichler & Angela Sessitsch. Next generation microbiome applications for crop production — limitations and the need of knowledge-based solutions. Current Opinion in Microbiology 49, 59-65, doi:https://doi.org/10.1016/j.mib.2019.10.006 (2019).