英文原题：Engineering microbiomes to enhance macroalgal health, biomass yield, and carbon sequestration

作者：Shailesh Nair, Zenghu Zhang, Xiaojie Wang, Bo Zhang, Nianzhi Jiao*, Yongyu Zhang*

01 论文信息

论文信息

Shailesh Nair, Zenghu Zhang, Xiaojie Wang, Bo Zhang, Nianzhi Jiao, Yongyu Zhang. Engineering microbiomes to enhance macroalgal health, biomass yield, and carbon sequestration[J]. Green Carbon, 2024 2(4).

论文关键词

Macroalgae farming; Macroalgal holobiont; Microbiome manipulation; Algae-bacteria interaction; Carbon sequestration

论文网址

https://doi.org/10.1016/j.greenca.2024.11.001

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Engineering microbiomes to enhance macroalgal health, biomass yield, and carbon sequestration

中文解读原链接

Green Carbon文章│中国科学院院士焦念志、青岛能源所张永雨：微生物组工程在大藻养殖中的应用与挑战

02 背景简介 

大型海藻营养价值高，生长迅速，碳汇能力强，因此在近海开展大规模大藻养殖不仅是一种重要的海洋经济产业，也是应对气候变化和减轻陆地资源压力的一项极具前景的重要解决方案。然而，在气候和环境加剧变化以及不断增强的人为压力下，近年来大规模大藻养殖病害死亡事件频发，大藻养殖业的可持续性面临诸多挑战。

藻类与微生物密不可分，互作关系复杂多样，共同形成共生体（Holobiont）。正如陆地植物携带有益微生物群落，大藻同样承载着多样化的微生物群落。有些微生物可促进大藻生长和抵御病害，并增强大藻对环境变化的适应能力。微生物对大藻生长和大藻碳汇效应具有十分重要的调控作用。近期十多个国际知名期刊联合发文呼吁部署微生物解决方案来应对气候灾难。同样，在挖掘大藻有益微生物、解析大藻与藻际微生物之间以及藻际微生物内部间互作关系与机制的基础上，开发微生物组工程技术，在提升大藻养殖产量和碳汇效应及其可持续性发展中具有十分重要的应用前景。目前全球科学家正致力于通过人工构建“合成群落（SynComs）”的微生物组工程技术来增强海藻养殖，但总体尚处于初步探索阶段。

近日，中国科学院院士、厦门大学教授焦念志和中国科学院青岛能源所研究员张永雨等在Green Carbon上发表题为“Engineering microbiomes to enhance macroalgal health, biomass yield, and carbon sequestration”的文章，系统梳理了大藻微生物组研究的进展，解析了大藻微生物组操纵工程技术面临的挑战，提出了一个应用于大藻健康养殖、提升产量和碳汇效应的微生物组操纵路线图。

03 文章简介

文章首先探讨了大藻微生物组特征及其在促进大藻生长和恢复力方面的功能。大藻上栖息着多样化的微生物群落，包括细菌、古菌、真菌和病毒。这些微生物类群在维持大藻健康和生长发育中扮演关键角色。同时强调目前关于大藻微生物组中的古菌、真菌和病毒的了解还非常有限，限制了对大藻与微生物组互作关系与机制的深入了解。

文章讨论了多种大藻微生物组操纵策略，包括单菌株操纵（即引入特定有益微生物）和复杂群落层面的操纵方法，例如调整现有微生物群落（自上而下）或从头构建新的合成群落（自下而上），以适应大藻实际养殖条件。同时强调了大藻微生物组操纵的时间阶段重要性，例如大藻早期生长（如育苗）阶段对微生物定殖更为敏感，某些大藻甚至能将定殖的有益微生物传递下去，暗示了其长期的益处。经过操纵的大藻微生物组可通过提供必需的营养物质、产生生长激素和预防疾病来促进大藻固碳生长，耐受海洋变暖和酸化等不利环境，增加大藻养殖产量和碳汇效应。

文章同时指出大藻微生物组操纵（或工程）技术尚面临不少挑战，并提出一个全面的整体框架方案。强调多组学技术、生态网络建模、基于人工智能工具和高通量分离技术等多方面联合的不可或缺性，以及在模拟海洋原位条件下开展效果验证的前提重要性。特别指出为促进海洋环境条件不断变化和大藻不同生长阶段的大藻操纵微生物组的稳定性，那些对大藻具有强附着力或易形成稳定生物膜的SynComs微生物菌株更具应用开发潜力。

大藻与微生物互作关系及其大藻微生物组操纵技术的挑战

总结及展望

尽管微生物组操纵策略在提高大藻生长和产量、增强抗逆性和碳汇效应方面展现出重要应用潜力，但该领域仍处于初步研究阶段，这包括对大藻藻际非细菌微生物（如古菌、真菌、病毒/噬菌体等）的认知还十分有限，以及对如何维持在大藻不同生长阶段和不同环境条件下SynComs的稳定性问题还缺乏有效手段。

展望未来，整合多组学方法、生态建模和高通量微生物分离技术，摸清大藻与藻际微生物之间以及藻际微生物内部间互作关系与机制，对于微生物组操纵工程技术在大藻健康养殖、提升产量和碳汇效应中的应用策略的成功性至关重要。

04 文章摘要

Abstract

Macroalgae farming not only holds significant economic value but also contributes substantially to carbon sequestration, and therefore has gained intensified attention globally under climate change scenarios. However, its sustainability is increasingly threatened by anthropogenic and environmental changes. The health and resilience of macroalgae are intrinsically linked to their associated microbiomes, offering an untapped opportunity to enhance macroalgal farming through microbiome manipulation. In this review, we have summarized the current understanding of macroalgal microbiomes, highlighting critically underexplored microbial components, such as overlooked taxa, host specificity, and the environmental factors influencing microbiome composition, which hinder the development of effective microbiome engineering strategies. We critically evaluate existing microbiome manipulation approaches and their applications in enhancing macroalgal growth, resilience, carbon fixation, and biomass yield and assess their potential for improving macroalgal carbon sequestration. Finally, we propose a holistic framework that integrates multi-omics and metabolic modeling, microbial functional and environmental compatibility, high-throughput rapid isolation, and in vivo validation to bridge critical knowledge gaps and unlock the full potential of macroalgal microbiome engineering for sustainable, large-scale macroalgal farming.

05 作者简介

张永雨 研究员

张永雨，中国科学院青岛生物能源与过程研究所研究员，海洋碳汇与能源微生物团队负责人，Green Carbon青年编委。长期专注于微生物（含病毒）与藻类互作关系及其关联的海洋储碳、大藻养殖碳汇、微生物（含噬菌体）资源开发等研究。在Science Adv、Nature Commun、NSR、ISME J、Global Change Biol、EST、mBio 等期刊发表论文百余篇。主持科技部重点专项课题、基金委联合基金重点项目等。

焦念志 院士

焦念志，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，美国微生物科学院院士，厦门大学教授、碳中和创新中心首席科学家，海洋负排放（ONCE）国际大科学计划首席科学家。主要从事微型生物海洋学与海洋碳汇研究，建立了海洋储碳新机制—“海洋微型生物碳泵”（Microbial Carbon Pump, MCP）理论，研究成果发表在Nature系列、Science系列等刊物，获国家自然科学二等奖（2次）、何梁何利科学与技术进步奖、全国创新争先奖等。

06 Green Carbon

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