2019Trends in Biotechnology：Field-Specific Microbial Consortia Are Feasible: A Response to Kaminsky et al.

2019Trends in Biotechnology：特定领域的微生物菌群是可行的：对Kaminsky等人的反应

Kaminsky等人(Trends Biotechnol. 2019:37;140–151)讨论了开发农业微生物接种剂的冲突。作者肯定微生物接种剂应该在广泛的环境中发挥作用，但排除了个别领域使用个性化接种剂的可行性。在这里，我建议为特定的现场环境定制微生物菌群。

最近，卡明斯基和他的同事们强调了在开发用于农业的微生物接种剂方面的一些权衡[1]。我同意作者的观点，即这种权衡是开发高产（增加经济上可观的作物产量）和稳定（在不同的田间环境中有效工作）微生物接种剂的真正障碍。尽管前景广阔，但生产力和稳定性较差，阻碍了微生物接种剂在主流农业中的大规模应用。卡明斯基和他的同事们定义了“一种理想的土壤微生物接种剂将在广泛的环境中有效且可预测地定殖”，并建议将解决方案改为“多种微生物菌群”，而不是传统的单一培养配方。由于生物多样性带来的一些好处，微生物菌群在不同环境中的工作效率可能比单一栽培更高[2,3]。如果接种具有不同生态特性的微生物菌株的混合物而不是一种，则在不同环境中，某些菌株比其他菌株表现更好并促进植物生长的可能性更大[4,5]。农田是在时间和空间上都不同的异质生态系统。时间变化是由天气波动、土壤干湿、肥料添加/去除养分、收获等引起的。微生物菌群通过提供生态保险，可以在此类扰动下维持功能[4,6]。空间变化比时间变化更为明显和持久——即使是两个相邻的领域也可能具有基于土壤特性、景观和管理等的不同特征。与单一接种类似，为一个环境选择的菌群在其他环境中也将面临许多折衷（表2，见[1]）。可能，菌群中存在的许多冗余菌株可以确保在每个环境中少数菌株定殖。然而，菌群中的冗余菌株数量可能会受到限制，因为这也是一个重要的经济可行性问题。因此，我认为“所有领域都是一个方案”的战略对单一接种或菌群都是行不通的。我们必须重新考虑这一策略，并努力为不同的田间环境开发特定的微生物接种剂。然而，卡明斯基和他的同事拒绝了这个机会，他们说，“开发针对每种土壤类型的接种剂是不可行的，因为这将大大增加生产成本和复杂性”。在这里，我探讨了在特定的田间环境下定制不同微生物菌群的可行性。

卡明斯基和他的同事正确地建议在开发微生物接种剂时考虑环境相容性。通过模拟生物群落集合，利用非生物和生物过滤器自然筛选出大型物种库，我们也可以筛选有益微生物，以预测它们在不同田间环境中的定殖和功能。我们可以定义微生物菌株在pH、温度和营养浓度等梯度下的活性功能范围，以预测它们在不同类型土壤中的成功。同样，植物和微生物之间的相容性可以在不同的成对组合中进行评估。通过预先了解不同环境中单个微生物的性能，可以更好地设计微生物群落以实现特定功能。最近，Paredes和他的同事证明，微生物群落的性能可以通过单个菌株的性能来预测[7]。利用这些信息，选择最适合特定土地的微生物菌株是可能的。在农业等非均质、动态环境中，微生物性能的准确预测是非常困难的。同时，对每个地块的微生物配方进行评价是不可行的。任何接种都有成功/失败的可能性。接种适应类似环境的微生物将提高其成功定殖和发挥功能的可能性。

最关键的问题是如何在工业规模上实施这一战略。工业界已经记录了微生物的特性，如名称和功能等。同样，它们也可以保存生态特性的数据，如在不同类型的物理环境中的生存、与作物品种宿主的相容性和相互对抗性。下一代农业依靠精确和自动化。与传统做法相比，有远见的农民已经选择了土壤化学分析、个性化化学投入、品种和天气预报。如果两种类型的数据--现场环境和微生物特征--都可用，那么定制个性化的微生物菌群是一项简单的任务。这些信息可以通过计算机软件或移动应用程序进行分析，从而进一步减少此类定制对专家的需求（图1）[8]。在这种情况下，工业生产单一的微生物菌株并附有所有信息，感兴趣的各方可以使用自动化技术定制特定的田间环境下的微生物菌群。

图1 针对特定田间环境定制合成微生物群落。

不同类型植物中不同菌株在不同类型的土壤环境中生存，温度、pH值、盐度、生物相互作用和促进植物生长的潜力可以作为定制合成微生物群落的信息来源。根据土壤化学分析、气候和天气条件以及农民的管理重点，可以选择潜在的微生物菌株。我很感谢马达夫·巴杰派先生画的图。星号表示存在促进植物生长的特性和与宿主作物的相容性（星号越多表示性状的程度越高）。缩写：ACCd，1-氨基环丙烷-1-羧酸脱氨酶；EC，土壤电导率；INM，综合养分管理；N-fix，固氮；P-sol，溶磷；prod，生产。

尽管综合目前的研究资料，这一策略似乎是可行的，但是其实际可行性仍有待验证。然而，它对现状提出了挑战，并引发了重要的科学讨论。总的来说，我们必须解决我们的集体挑战，即在不破坏我们的生活环境的情况下，通过耕种有限的土地来支持大量有意识、富裕和有要求的人。