“綠色革命”期間，半矮化作物品種和化肥的出現提高了產(chǎn)量和糧食安全。然而，諸如環(huán)境污染和溫室氣體排放等意外后果凸顯了減輕這些影響的策略的必要性。在作物馴化過(guò)程中被忽視的根際微生物群落的調控為可持續農業(yè)提供了一條途徑。
2025年3月20日，中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng )新中心王二濤團隊（博士后葛安輝為第一作者）在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊Cell上發(fā)表了題為：Exploring the plant microbiome: A pathway to climate-smart crops的長(cháng)篇前瞻性綜述展望（Perspective）。
王二濤團隊在文中提出了“共生基因組育種”（hologenome breeding）的概念框架——通過(guò)精準調控植物微生物群落，培育“氣候智能型作物”（climate-smart crops），在提高作物產(chǎn)量的同時(shí)，減少對環(huán)境的負面影響，從而推動(dòng)農業(yè)可持續發(fā)展。
當前，農業(yè)貢獻了 20%-25% 的溫室氣體排放，僅合成氮肥的生產(chǎn)和使用就占全球排放的5%，并通過(guò)氨揮發(fā)、硝酸鹽淋溶等加劇環(huán)境污染。盡管“綠色革命”通過(guò)高產(chǎn)作物品種與化肥農藥使全球糧食產(chǎn)量翻番，但也導致作物對化肥依賴(lài)性增強、微生物共生功能退化等問(wèn)題。數據顯示，現代栽培作物與微生物的互利關(guān)系較野生近緣種顯著(zhù)降低，農田土壤碳庫穩定性下降，農業(yè)系統韌性面臨嚴峻考驗。
圖1.當前的挑戰與潛在的農業(yè)生態(tài)系統解決方案
基于此，文章指出，植物與根際微生物構成的“共生功能體”（holobiont）是破解困局的關(guān)鍵——根際微生物不僅能調控植物的養分吸收和脅迫抗性，其代謝產(chǎn)物與殘體更對土壤穩定碳庫有重要貢獻。然而，傳統育種長(cháng)期忽視植物-微生物協(xié)同進(jìn)化形成的生態(tài)功能基因，導致“高產(chǎn)但脆弱”的惡性循環(huán)。
圖2. 解析和改造根際生態(tài)過(guò)程宿主遺傳調控途徑的方法
王二濤團隊提出的共生基因組育種框架，首次將植物-微生物互作介導的生態(tài)功能納入育種體系。該框架通過(guò)整合植物基因型、根系分泌物和根際微生物組間的關(guān)聯(lián)模型，實(shí)現植物-微生物互作過(guò)程的精細調控，以?xún)?yōu)化養分循環(huán)、增強作物抗性并加速土壤碳固存。文章提出了兩種具體的共生基因組育種策略：
一是通過(guò)植物育種調控根系分泌物，從而改變根際微生物組功能；二是設計合成微生物群落（synthetic community）或通過(guò)基因改造優(yōu)化微生物功能，實(shí)現跨界信號傳導，以定向調控共生功能體。
針對環(huán)境異質(zhì)性對植物-微生物互作過(guò)程的影響，文章提出農業(yè)精準微生物組工程策略，通過(guò)揭示特定環(huán)境下的植物-微生物互作機制，實(shí)現作物品種與微生物組的精準匹配。文章還強調，將農業(yè)管理措施與精準微生物組工程相結合，可通過(guò)調控土壤理化性質(zhì)和生物學(xué)特性，優(yōu)化植物-微生物互作，從而實(shí)現農藝和生態(tài)效益的協(xié)同提升。
圖3. 操縱植物與微生物相互作用中功能性狀的工程策略
盡管植物-微生物互作研究已取得顯著(zhù)進(jìn)展，但其田間應用仍面臨挑戰。由于根際微生物組對環(huán)境異質(zhì)性高度敏感，微生物接種劑的實(shí)際效果存在不確定性。為此，文章強調了農業(yè)精準微生物組工程的重要性，并建議整合人工智能（AI）算法和高通量表型技術(shù)，實(shí)現對植物-微生物互作時(shí)空動(dòng)態(tài)的精準預測和智能調控。文章指出，將微生物介導的生態(tài)功能視為新型植物性狀，并將其整合到共生基因組育種體系中，有望為應對糧食危機、環(huán)境污染和氣候變化等全球性挑戰提供植物解決方案。
圖4. 實(shí)現自施肥作物的策略
圖5. 適應和緩解全球氣候變化的策略
圖6. 整合分子生物學(xué)技術(shù)與農業(yè)管理措施以系統強化農業(yè)生態(tài)系統的多重功能
總的來(lái)說(shuō)，研究團隊提出，調節植物微生物群落有助于培育“氣候智能型作物”，從而提高產(chǎn)量并減少對環(huán)境的負面影響。文章中提出的框架整合了植物基因型、根系分泌物和微生物，以?xún)?yōu)化養分循環(huán)、增強抗逆性并加速碳固定。將未選擇的生態(tài)性狀納入作物育種可以促進(jìn)農業(yè)的可持續性，闡明植物遺傳學(xué)與生態(tài)系統功能之間的聯(lián)系。
原文鏈接：
https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00104-7
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