《Current Opinion in Biotechnology》：Plant microbiome regulation for sustainable agriculture
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植物微生物組調(diào)控通過(guò)外部條件（環(huán)境、宿主基因、農(nóng)業(yè)實(shí)踐）和內(nèi)部基因工程（CRISPR、合成群落、原位編輯）實(shí)現(xiàn)，優(yōu)化作物抗逆、養(yǎng)分吸收與產(chǎn)量，減少化學(xué)投入。
Jingying Zhang | Weidong Liu | Binglei Wang | Qianhang Zhai | Yang Bai
國(guó)家基因功能與調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京-清華生命科學(xué)中心，北京-清華-NIBS研究生項(xiàng)目，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院新基石科學(xué)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)北京100871
與植物相關(guān)的微生物組對(duì)可持續(xù)農(nóng)業(yè)至關(guān)重要，它們能夠增強(qiáng)作物的養(yǎng)分吸收、抗逆性以及產(chǎn)量，同時(shí)減少對(duì)農(nóng)業(yè)化學(xué)物質(zhì)的依賴。微生物調(diào)控，即對(duì)這些微生物組的定向操作，將微生物的生態(tài)潛力與農(nóng)業(yè)應(yīng)用聯(lián)系起來(lái)。目前，這種調(diào)控方式根據(jù)是否修改微生物基因組分為兩類核心策略：外部調(diào)節(jié)和內(nèi)部工程。外部調(diào)節(jié)是一種不改變基因組的方法，通過(guò)環(huán)境信號(hào)、宿主特性和農(nóng)藝措施來(lái)重塑微生物群落，從而實(shí)現(xiàn)快速、低成本的微生物組功能調(diào)整。相比之下，內(nèi)部工程則利用基于CRISPR的工具、合成微生物群落以及原位編輯技術(shù)來(lái)改變微生物基因組，以鎖定穩(wěn)定的有益特性，確保在田間的一致表現(xiàn)。新興技術(shù)如基于AI的預(yù)測(cè)模型和先進(jìn)的遞送系統(tǒng)通過(guò)提高微生物調(diào)控的精確度和可擴(kuò)展性來(lái)支持這兩種策略。最終，微生物調(diào)控優(yōu)化了植物與微生物之間的相互作用，加速了可持續(xù)農(nóng)業(yè)解決方案的發(fā)展，增強(qiáng)了氣候適應(yīng)性和全球糧食安全。
引言
植物與多樣化的微生物組緊密共生，這些微生物組擴(kuò)展了植物的基因組潛力。以細(xì)菌和真菌為主的微生物群落定殖在植物的生態(tài)位中，有助于養(yǎng)分吸收、增強(qiáng)對(duì)生物和非生物脅迫的抵抗力，并調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)1, 2。有益的微生物分離株，如Pseudomonas fluorescens、Bacillus subtilis、Trichoderma harzianum以及叢枝菌根真菌（AMF），以及多物種細(xì)菌合成群落，在控制試驗(yàn)中表現(xiàn)出改善養(yǎng)分吸收或抑制病害的效果，目前正被用于主要作物的田間測(cè)試或商業(yè)化3, 4, 5, 6, 7。然而，這些接種劑的效果在不同土壤、氣候和品種間存在很大差異，這促使研究人員開(kāi)發(fā)更可靠的微生物組工程策略，以穩(wěn)定地操縱與植物相關(guān)的微生物群落，確保對(duì)可持續(xù)農(nóng)業(yè)的顯著益處[8]。
當(dāng)代的微生物組操控研究主要集中在兩個(gè)核心方向：外部生態(tài)調(diào)節(jié)（在不改變基因組的情況下重塑微生物群落）和內(nèi)部基因組工程（重寫或增強(qiáng)微生物DNA以實(shí)現(xiàn)有益功能）。外部調(diào)節(jié)利用微生物群落組成與環(huán)境、宿主或農(nóng)業(yè)變量之間的相關(guān)性。環(huán)境因素（例如溫度、濕度、土壤pH值）可以選擇性地富集或減少特定微生物類群9, 11；例如，干旱和熱脅迫會(huì)富集玉米根際中的Solirubrobacter、Massilia和Agrobacterium [12]。宿主基因組也會(huì)影響微生物群落：FERONIA突變會(huì)富集Arabidopsis中的Pseudomonas fluorescens；攜帶C2基因的玉米通過(guò)分泌黃酮類物質(zhì)增加Oxalobacteraceae的數(shù)量13, 14。植物來(lái)源或外源化合物，包括strigolactone類似物rac-GR24和豆科植物黃酮類物質(zhì)，可作為信號(hào)分子促進(jìn)微生物定殖15, 16。農(nóng)業(yè)實(shí)踐（如耕作、秸稈保留、施肥）也會(huì)驅(qū)動(dòng)微生物群落的變化——例如，不耕作和保留秸稈可以顯著增加土壤有機(jī)碳含量和細(xì)菌多樣性[17]，而過(guò)量施用氮肥則通過(guò)影響pH值改變氨氧化菌的數(shù)量[18]。這些無(wú)需DNA的調(diào)控手段能夠?qū)崿F(xiàn)快速、可逆且低調(diào)控負(fù)擔(dān)的微生物組優(yōu)化，成為可持續(xù)作物管理的有效工具。內(nèi)部工程則針對(duì)基因組層面進(jìn)行操作。首先，通過(guò)體外編輯（如CRISPR-Cas系統(tǒng)、堿基編輯器）來(lái)增強(qiáng)有益特性，并將其作為可預(yù)測(cè)的接種劑使用。例如，經(jīng)過(guò)工程改造的Klebsiella variicola通過(guò)去除負(fù)調(diào)控基因增強(qiáng)了固氮能力，支持玉米在田間的生長(zhǎng)[19]。其次，合成微生物群落（SynComs）以可控的比例結(jié)合編輯過(guò)的菌株和野生型菌株，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的表現(xiàn)。敲除Trichoderma guizhouense中的（一種桿菌素生物合成基因）可以降低其對(duì)Bacillus velezensis的拮抗作用，其SynCom能夠改善Fusarium枯萎病的控制[20]。第三，原位編輯將CRISPR核糖核蛋白（RNPs）或 conjugative plasmids直接導(dǎo)入原生微生物群落，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)細(xì)胞的現(xiàn)場(chǎng)修飾[21]。通過(guò)直接修改微生物DNA，這些方法將有益特性鎖定在基因組中，確保工程功能的持久性和適應(yīng)性。
本綜述總結(jié)了目前用于操控植物微生物組的策略。我們首先描述了如何通過(guò)調(diào)整外部因素（包括氣候、土壤性質(zhì)、宿主基因型、信號(hào)分子和管理措施）來(lái)重塑微生物群落而不改變DNA。接著回顧了內(nèi)部工程方法，包括基于CRISPR的菌株改良、合成微生物群落和原位基因組編輯，并評(píng)估了它們的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、遞送選項(xiàng)和前景。最后，我們指出了未來(lái)的研究重點(diǎn)，并提出了將這些工具轉(zhuǎn)化為可持續(xù)農(nóng)業(yè)可靠、可擴(kuò)展解決方案的路線圖。
外部調(diào)節(jié)
外部調(diào)節(jié)是一種無(wú)需DNA的微生物群落工程方法，通過(guò)調(diào)整環(huán)境、宿主或管理變量來(lái)重塑微生物群落，而不是改變微生物基因組。這種方法具有可逆性和快速性，能夠?qū)崟r(shí)精細(xì)調(diào)節(jié)微生物群落的功能（圖1a）。
微生物組結(jié)構(gòu)的環(huán)境驅(qū)動(dòng)因素
環(huán)境因素設(shè)定了最初的選擇性篩選標(biāo)準(zhǔn)。地上因素（光照、光周期、溫度和濕度）和地下因素（土壤濕度、pH值、鹽度、養(yǎng)分）共同決定了哪些微生物類群能夠定殖植物，因?yàn)槊糠N微生物都必須克服環(huán)境中的物理化學(xué)限制才能在植物體內(nèi)生存。盡管環(huán)境變化會(huì)導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)的無(wú)方向性改變，但某些細(xì)菌類群仍表現(xiàn)出明顯的模式。
宿主介導(dǎo)的微生物組調(diào)控
宿主基因和根系分泌物提供了第二個(gè)可調(diào)的調(diào)控手段。植物基因組作為內(nèi)置的調(diào)節(jié)器，精細(xì)調(diào)節(jié)碳分配和防御代謝，以促進(jìn)那些預(yù)期能帶來(lái)最大適應(yīng)性回報(bào)的微生物類群的生長(zhǎng)。植物基因在塑造微生物群落結(jié)構(gòu)中的調(diào)控作用已得到充分證實(shí)。例如，indica水稻品種中的硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和傳感器NRT1.1B促進(jìn)了特定微生物類群的招募
農(nóng)業(yè)管理實(shí)踐
農(nóng)業(yè)管理可以在不改變微生物基因的情況下重新塑造土壤環(huán)境。耕作土地像一個(gè)物理“混合器”，重新分配氧氣、水分和碳，立即改變微生物群落的組成。例如，深度耕作（20–22厘米）顯著增加了土壤中Bacteroidota的數(shù)量[39]，而無(wú)耕作實(shí)踐則增加了細(xì)菌多樣性和酸桿菌的數(shù)量[40]。Bacillus屬細(xì)菌通過(guò)黃酮類化合物taxifolin被招募到植物根際
內(nèi)部工程
內(nèi)部工程直接針對(duì)基因組，利用基因編輯平臺(tái)在單個(gè)分離株或整個(gè)微生物群落中添加、刪除或轉(zhuǎn)移編碼序列。與外部調(diào)節(jié)不同，內(nèi)部工程產(chǎn)生的有益特性基本上不受土壤類型或天氣的影響，具有精確性、穩(wěn)定性，并且可以在單一遺傳背景下疊加多種有益功能（圖1b）。
有益菌株的體外
編輯
CRISPR-Cas系統(tǒng)或堿基編輯器被應(yīng)用于純培養(yǎng)物中，以插入、刪除或優(yōu)化與植物有益表型相關(guān)的基因位點(diǎn)。體外編輯通常針對(duì)“調(diào)控樞紐”來(lái)放大有益特性。通過(guò)破壞phlF基因（該基因負(fù)調(diào)控2,4-Diacetylphloroglucinol的合成），Pseudomonas fluorescens
合成微生物群落的設(shè)計(jì)
將多個(gè)經(jīng)過(guò)編輯或互補(bǔ)的有益菌株合理組合成按比例定義的混合物，可以抵御環(huán)境變化和功能不穩(wěn)定。早期的微生物應(yīng)用依賴于單一的有益菌株（如Bacillus或Pseudomonas），而最近的設(shè)計(jì)則優(yōu)先考慮具有功能增強(qiáng)和互補(bǔ)性的合成微生物群落[56]。例如，一個(gè)由四種菌株組成的聯(lián)合體結(jié)合了生物固氮菌株（Klebsiella variicola和Citrobacter屬）和兩種
原位
編輯
與引入預(yù)先編輯的菌株不同，原位策略將CRISPR RNPs、conjugative plasmids或噬菌體顆粒直接導(dǎo)入原生微生物群落，使目標(biāo)細(xì)胞能夠在原位進(jìn)行基因組編輯。開(kāi)發(fā)了一種基于噬菌體的遞送系統(tǒng)，能夠在混合細(xì)菌群落中實(shí)現(xiàn)超過(guò)50%的編輯效率[61]，為原位基因組操作提供了強(qiáng)大的工具
未來(lái)展望
微生物組工程對(duì)可持續(xù)農(nóng)業(yè)至關(guān)重要，因?yàn)樗梦⑸飦?lái)改善作物健康和產(chǎn)量，同時(shí)減少化學(xué)投入[64]。其潛力取決于縮小實(shí)驗(yàn)室結(jié)果與田間表現(xiàn)之間的差距。在田間，由于代謝負(fù)擔(dān)、水平基因轉(zhuǎn)移或與本地微生物的競(jìng)爭(zhēng)，工程改造的特性往往在一個(gè)生長(zhǎng)季節(jié)內(nèi)就會(huì)減弱，而目前的監(jiān)測(cè)方法無(wú)法實(shí)時(shí)檢測(cè)到這些損失[65]。
作者貢獻(xiàn)
Y.B.和J.Z.構(gòu)思了這項(xiàng)研究并撰寫了手稿；W.L.和Q.Z.進(jìn)行了文獻(xiàn)回顧；B.W.整理了數(shù)據(jù)。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒(méi)有已知的財(cái)務(wù)利益或個(gè)人關(guān)系可能影響本文報(bào)告的工作。
致謝
本工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（資助編號(hào)：32430003（Y.B.）和32322002（J. Zhang））；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（資助編號(hào)：2022YFF1001800（Y.B.）和2023YFF1000300（J. Zhang）；中國(guó)科學(xué)院的戰(zhàn)略優(yōu)先研究計(jì)劃（資助編號(hào)：XDA28030202（J. Zhang）和XDA0450000（J. Zhang）以及XDA24020000（Y.B.）；CAS-MPG聯(lián)合研究項(xiàng)目（資助編號(hào)：HZXM20225001MI（Y.B.））；CAS項(xiàng)目的支持
