《Rhizosphere》：Smart microbiomes for shaping rhizosphere function and plant-microbe interactions
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合成微生物群落通过优化营养吸收、缓解环境胁迫和减少化学投入推动农业革新，精准基因编辑与动态群落设计提升适应性，代谢组学与生态建模助力可持续农业及太空生态系统的开发与修复。
普尼特·辛格·乔汉（Puneet Singh Chauhan）|昌德拉·谢卡尔·瑙蒂亚尔（Chandra Shekhar Nautiyal）
微生物技术部门，科学与工业研究委员会-国家植物研究所（CSIR-NBRI），拉纳·普拉塔普路（Rana Pratap Marg），勒克瑙-226001，印度
摘要
日益严峻的粮食安全、环境可持续性和气候适应性问题要求我们采取创新方法来改革农业和生态系统管理。合成生态学，包括工程化的微生物群落（SynComs），通过提供有效的解决方案来提高植物生产力、恢复退化的生态系统以及在极端环境中维持生命，处于这一变革的最前沿。本文综述了合成微生物组的最新进展，重点探讨了它们在优化养分吸收、减轻非生物胁迫和减少化学投入方面的应用。我们还深入研究了精准基因编辑在设计适应性微生物特征方面的潜力，以及动态SynComs在实时响应环境变化中的作用。此外，我们强调了恢复退化土地、防治荒漠化和构建太空农业自给自足系统的新型策略。通过整合代谢组学、生态建模和智能农业技术，合成生态学为地球及更广阔领域的植物韧性和可持续农业发展开辟了新路径。
引言
20世纪60年代初的绿色革命通过关注三个关键要素——植物育种、灌溉和化学肥料——显著提高了农业生产力（Salse等人，2024年）。然而，随着全球人口的持续增长以及土壤退化、气候变化和资源限制等挑战的加剧，这些方法已不再足够。迫切需要创新解决方案来维持农业生产力并保障不断增长的人口的食物安全。依赖化学肥料、农药和集约化单一种植的传统农业实践导致了严重的生态后果，包括土壤养分流失、生物多样性丧失和生态系统功能受损（Majumder等人，2023年）。此外，诸如选择性育种和转基因技术等作物改良方法劳动强度高、耗时较长，并且经常受到伦理考量、监管障碍和公众看法的限制（Maurya等人，2024年）。因此，这些方法在资源有限的地区或环境快速变化的背景下并不总是可行。因此，我们需要转向利用生物系统未开发潜力的替代性、可扩展和可持续策略，以提高作物韧性和生产力。
与植物相关的微生物组由多种细菌、真菌、古菌和其他微生物组成，一个多世纪以来一直被应用于农业中，并在塑造植物健康和生产力方面发挥着关键作用（Trivedi等人，2022年）。使用固氮根瘤菌（Rhizobium spp.）来改良豆科植物是这一实践的开始，首个相关产品Nitragin于1896年获得专利（Nobbe和Hiltner，1896年）。目前，农业中最广泛使用的微生物接种剂包括自由生活的固氮细菌（Li等人，2025年）、根瘤菌（Thilakarathna和Raizada，2017年）、丛枝菌根真菌（Zhang等人，2019年）和促进植物生长的根瘤菌（PGPR）（He等人，2024年）。这些处理方法通常作为种子处理/土壤灌洗剂用于根际或内生微生物，或作为叶面喷雾剂用于叶圈中的微生物（Sessitsch等人，2019年）。这些有益于植物的微生物不仅仅是被动共存者，它们通过增强养分吸收、减轻非生物和生物胁迫以及提供病原体防御来积极促进植物健康（Ke等人，2021年）。
在过去二十年里，研究主要集中在微生物组的多样性、结构和功能上（Santos和Olivares，2021年；Hartmann和Six，2023年；Kour等人，2023年），从而了解了它们对植物韧性和生产力的机制性贡献（表1）。然而，尽管它们具有重要的生态和农艺意义，但关于其功能动态、种间相互作用以及适应环境变化的能力仍有许多未知之处。此外，尽管这些研究在受控条件下提供了宝贵的见解，但在复杂的农业环境中其效果往往减弱（Basu等人，2021年）。例如，一项最近的荟萃分析显示，根瘤菌接种剂对大豆产量的影响从减少34%到增加109%不等，这受到本地根瘤菌的存在、土壤性质、气候和大豆基因型的影响（Thilakarathna和Raizada，2017年）。同时，传统单菌株接种剂在建立生态稳定性和韧性方面经常遇到挑战，因为它们要与本地土壤微生物群竞争，并且需要应对干旱、养分不平衡和温度变化等波动条件（Jansson等人，2023年；Liu等人，2023年）。此外，单个菌株缺乏应对多重植物胁迫所需的功能多样性。例如，克服干旱胁迫不仅需要提高水分利用效率，还需要调节植物激素、合成渗透保护物质并改善养分吸收能力，而这些通常需要通过多样化微生物群落之间的协同作用才能实现（Mamun等人，2024年）。因此，将单一微生物菌株作为无菌培养物应用的局限性凸显了推进基于微生物组方法的重要性（Dixit等人，2023年）。
多组学、系统生物学、合成生物学和微生物生态学的最新进展为合成生态学提供了可能，这是一种利用设计好的微生物群落来优化植物健康和表现的新方法（Johns等人，2016年）。合成生态学涉及的微生物群落不仅天然有益，而且经过工程改造或精心设计，能够执行特定功能，如增强养分吸收、调节根系结构、提高非生物胁迫耐受性（例如干旱、盐度）和增强抗病性（Stenuit和Agathos，2015年；Johns等人，2016年）。与自然微生物组的动态和不可预测性不同，合成生态学是经过精心设计的，以执行特定功能，通常被称为合成群落（SynComs）或智能微生物组（Lawson等人，2019年；Bisht等人，2023年；Northen等人，2024年）。这些工程化的微生物群落可以满足特定的植物需求，同时减轻不利的环境影响，从而支持再生农业的目标，并为全球粮食安全做出贡献（Moon，2022年；Jansson等人，2023年）。然而，如何理解这些合成微生物组在特定条件下与植物建立、维持和适应功能性共生关系仍存在重大挑战。此外，人为因素（如农业集约化）对这些智能微生物组的稳定性和功能性的影响尚未得到充分研究。
本文探讨了合成生态学在重塑植物韧性和农业可持续性方面的新兴作用。它研究了合成微生物群落在农业中的设计原则、功能机制和实际应用，并强调了当前的技术进展、机遇和挑战，强调了需要跨学科方法来利用合成生态学实现可持续农业的未来。通过将工程化的微生物组整合到农业生态系统中，合成生态学有可能彻底改变现代农业并解决一些最紧迫的全球性问题。
章节摘录
合成微生物组
SynComs的出现标志着农业领域的变革性转变，其中微生物群落被有意设计和组装以改善植物生长、韧性和生产力（Northen等人，2024年）。本节从整体群落的角度讨论了最近在工程化有益作物微生物组方面的进展，旨在发展促进和维持与多样化微生物群落有益互动的气候智能农业（表2）。
解析植物-微生物相互作用的动态
植物与其相关微生物群落之间的复杂关系是植物健康、生产力和韧性的基础。这些相互作用涉及从养分循环到疾病抑制等一系列过程，对维持生态系统功能至关重要（Trivedi等人，2020年）（表1）。然而，由于自然系统的复杂性和变异性，理解植物-微生物相互作用的根本动态仍然是一个挑战。
新方法和应用
植物-微生物研究的最新技术进展为理解植物与其相关微生物群落之间的复杂关系开辟了新的途径。这些进展不仅揭示了植物-微生物相互作用的基本动态，还促进了提高农业生产力、环境可持续性和生态系统恢复的新策略的发展。合成生态学的下一代创新
农业和生态系统恢复的未来取决于微生物工程和智能农业系统的持续创新。这些创新得益于基因组学、合成生物学和数据驱动技术的进步，使得可以精确设计和部署能够动态响应植物和环境挑战的微生物群落。拓展视野：生态系统整合和生物多样性
随着对植物相关微生物组研究的深入，它们在生态系统层面过程中的作用日益重要。超越单一的植物-微生物相互作用，微生物组可以被战略性地设计来增强生物多样性、稳定生态系统并支持关键生态功能。构想可持续和有韧性的未来
将微生物群落整合到土地修复和太空农业中为恢复地球上的退化生态系统以及在太空中进行农业提供了新方法（Coban等人，2022年；Santomartino等人，2023年）。微生物解决方案可以将受损的景观转变为富有生产力的生态系统，而合成生态学可以被设计用于在地球以外维持生命，从而标志着农业和生态系统管理的前沿。伦理考量和治理
随着基于微生物组的创新的发展，伦理考量和治理框架变得至关重要，以确保其负责任的实施。在农业和自然生态系统中部署合成微生物群落可能带来潜在的生态风险（Moon，2022年），因此需要严格的生物安全措施。此外，公平获取微生物组技术和包容性的政策制定对于最大化社会效益同时最小化意外影响至关重要。未来展望和最终思考
将微生物组科学整合到农业系统中代表着一种提高植物韧性和生产力的变革性方法。随着SynComs和工程化微生物组的进一步完善，它们的应用范围将超出单一植物健康，为生态系统稳定性、生物多样性增强和可持续资源管理提供解决方案。CRediT作者贡献声明
昌德拉·谢卡尔·瑙蒂亚尔（Chandra Shekhar Nautiyal）：撰写——审稿与编辑、概念构思。普尼特·辛格·乔汉（Puneet Singh Chauhan）：撰写——审稿与编辑、原始草稿撰写、数据整理、概念构思
未引用的参考文献
Bisht等人，2024年；Bisht等人，2025年；Majumder，2023年；Medi?和Karad?i?，2022年；Nizamani等人，2024年；Wang等人，2021年；Zhuang等人，2021年。
