Frontiers | Microbial Community and Function-Based Synthetic Bioinoculants: A Perspective for Sustainable Agriculture (frontiersin.org)

摘要

植物微生物组及其宿主之间的相互作用在空间和时间上都是动态的，导致根际、叶层和内层的有益或致病关系。这些相互作用的范围从细胞到分子和基因组水平，体现为许多互补和共同进化的关系。宿主植物获得许多代谢和发育特征，如其渗出模式的改变、系统耐受性的获得以及与微生物伙伴（包括细菌、真菌、古菌、原生生物和病毒）相互作用的信号代谢产物的协调。微生物组通过获得或失去其特征来响应来自宿主植物和环境的各种分子信号。宿主和微生物伴侣的这种适应性特征为它们的共存、在植物上、周围或内部共同生活创造了条件。通过分离具有目标功能的微生物，利用传统的可培养方法开发了有益的植物-微生物组相互作用，明显有助于宿主植物的生长、适应性和应激恢复能力。使用宏基因组研究获得的关于植物微生物组中不可培养成员的新知识清楚地表明了具有假定功能的特定门/属的优势。实际上，可培养方法提供了直接使用的有益微生物，而不可培养方法则提供了与植物相关的主要微生物群体的分类和代谢潜力的完美理论信息。为了利用这种有益的、地方性的和功能多样的微生物组，同时使用依赖于培养和不依赖于培养的技术的战略方法将有助于为各种作物设计新的“生物制剂”。设计的生物制剂（或生物接种剂）应确保社区因其基因组和功能能力而持久。在这里，我们讨论了植物微生物组诱导宿主适应性功能的当前范式，以及使用可培养和不可培养方法基于微生物群落的功能或门优势合成新型生物接种剂的策略。有效的作物特异性包容性微生物群落生物接种剂可降低种植成本，改善土壤和植物健康，促进可持续农业。

FIGURE 1. Microbial colonization depicted in different plant niches: Rhizosphere, phyllosphere and endosphere of root, stem, leaf, and grain.

图1 不同植物生态位中的微生物定殖：根、茎、叶和籽粒的根层、叶层和内层。

FIGURE 2. Beneficial functions of Plant associated microbiome. N, Nitrogen; P, Phosphorous; K, Potassium; Zn, Zinc; Fe, Iron; S, Sulfur; IAA, Indole Acetic Acid; GA, Giberrelic Acid; CK, Cytokinin; ACC, 1-AminoCyclopropane Carboxylate; HCN, Hydrocyanic Acid.

图2 植物相关微生物组的有益功能。N、 氮；P、 磷；K、 钾；Zn、锌；Fe、铁；S、 硫；IAA，吲哚乙酸；GA，赤霉素；CK、细胞分裂素；ACC，1-氨基环丙烷羧酸盐；HCN，氢氰酸。

表1  作为合成微生物群落开发的各种微生物接种剂用于改善营养吸收和保护植物免受病原体侵害的现状。

TABLE 1. Status of various microbial inoculants developed as synthesized microbial communities in use for improving nutrient uptake and protections against plant pathogens.

表2 作为合成微生物群落开发的真菌接种剂，用于提高营养吸收和保护植物免受病原体侵害。

TABLE 2. Fungal inoculants developed as synthesized microbial communities used for improving nutrient uptake and protections against plant pathogens.

FIGURE 3. Schematic depiction of different steps for the development of microbial community based synthetic bioinoculants (CSB) by employing metagenomic and bioinformatic techniques.

图3 使用宏基因组和生物信息学技术开发基于微生物群落的合成生物接种剂（CSB）的不同步骤示意图。

FIGURE 4. Schematic depiction of different steps for the development of microbial Function based Synthetic Bioinoculants (FSB) using functional characteristics of cultured isolates.

图4 利用培养分离物的功能特性，开发基于微生物功能的合成生物接种剂（FSB）的不同步骤示意图。