在農業生產中，健康的土壤是作物豐產優質的基礎，而根際——植物根系周圍的微小區域——是植物與土壤微生物互動最活躍的“戰場”。這里的微生物居民，即根際微生物組，對植物的養分吸收、抗病抗逆能力至關重要，堪稱植物的“第二基因組”。然而，現代農業的集約化種植模式，例如長期依賴化肥和農藥，如同對土壤微生物群落進行了一場“大掃蕩”，顯著降低了其多樣性，削弱了土壤的生態功能，使得作物更易生病、更依賴外部化學投入。如何恢復和增強土壤的“生命力”，成為了可持續農業面臨的重大挑戰。

植物促生長根際菌（Plant Growth-Promoting Rhizobacteria, PGPR）為此提供了一種充滿希望的綠色替代方案。這些“益菌”能通過產生植物激素、鐵載體，或誘導系統抗性等多種方式幫助植物。過去的研究多聚焦于單一菌株的應用，但它們往往因定殖能力有限或與土著微生物競爭而效果不穩定。于是，科學家們將目光轉向了微生物“聯合作戰”——合成群落（Synthetic Community, SynCom）。將多種功能互補的微生物組合在一起，有望通過協同作用提供更強的功能韌性和更穩定的促生效果。但一個關鍵的科學問題隨之而來：當我們將人工組建的微生物“特遣隊”引入土壤時，它們會與土壤原有的、復雜的土著微生物“居民”發生怎樣的互動？這種互動是短期的“喧賓奪主”，還是能引發長期、有益的“社區重建”？特別是，以往研究多關注細菌，而真菌等其他微生物成員的反應常被忽視，這限制了對根際生態系統響應的全面理解。

針對上述問題，發表于《Scientific Reports》的一項研究深入探究了這個問題。研究者以全球重要的蔬菜作物番茄為模型，開展了一項精細的時序研究。他們從番茄自身的核心微生物組（即在不同番茄植株和生長環境中都穩定存在的微生物類群）中，篩選出了10株具有促生或生防潛力的本地細菌菌株，包括常見的^Bacillus和^Pseudomonas，以及^{Glutamicibacter}、^{Paenarthrobacter}、^{Chryseobacterium}和^Leclercia等較少被研究的類群。基于菌株間的相容性測試，研究者構建了三個不同復雜度的SynCom：四株菌的MIX1、六株菌的MIX2（在MIX1基礎上加入兩株假單胞菌）和十株菌的MIX3。他們將這些SynCom通過灌根方式施用到番茄幼苗的根際，并系統監測了隨后四周內番茄的生長狀況以及根際細菌和真菌群落的結構與功能變化。

本研究采用了多學科交叉的研究策略。首先，通過體外交叉劃線法評估了10株PGPR菌株之間的互作相容性，為SynCom的理性設計提供依據。研究主體為溫室盆栽實驗，使用‘Pizzutello’（有限生長型）和‘Proxy’（無限生長型）兩個番茄品種，通過土壤灌根方式施加不同組成的SynCom，以水處理作為對照，定期測量植株的生長指標（株高、鮮重、干重）。為解析微生物群落動態，在‘Proxy’品種的根際，于處理后0小時（T0）、1周（T1）、2周（T2）和4周（T4）四個時間點采集樣本。運用高通量擴增子測序技術，針對細菌16S rRNA基因和真菌ITS（Internal Transcribed Spacer）區域進行測序，以分析根際微生物群落的組成和多樣性。利用生物信息學流程對測序數據進行處理，包括質控、生成擴增子序列變體（ASV）表、計算α和β多樣性指數，并通過差異豐度分析鑒定受處理顯著影響的微生物類群。此外，使用PICRUSt2（Phylogenetic Investigation of Communities by Reconstruction of Unobserved States）工具，基于16S rRNA基因序列數據預測了細菌群落的功能潛能。最后，通過將SynCom菌株的基因組序列與根際樣本的ASV序列進行比對（相似度≥99.5%），追蹤了接種菌株在土著群落中的豐度動態。

通過交叉劃線法評估了10株PGPR菌株在三種培養基上的互作。結果顯示，^Pseudomonas菌株在PDA培養基上對所有其他菌株（包括彼此）均表現出抑制活性，而^{Bacillus velezensis}PFE11抑制其他^{B. velezensis}菌株。^Leclerciasp. S52與^{Paenarthrobacter}和^{Chryseobacterium}sp. POE47之間也存在抑制區。這些體外拮抗關系是后續構建具有不同互作動態的SynCom（MIX1、MIX2、MIX3）的基礎。

所有SynCom處理均能顯著促進兩個番茄品種的生長。在無限生長型品種‘Proxy’上效果尤為明顯，處理后4周，MIX2和MIX3（均含^Pseudomonas）處理的植株株高比對照分別增加了94%和84%，而MIX1（不含^Pseudomonas）僅增加39%。植株的地上部鮮重和干重也顯著增加。每周監測顯示，MIX2和MIX3在處理后一周即能顯著提高株高，且效果持續至實驗結束。

高通量測序分析表明，時間因素是驅動根際細菌群落組成的最主要因素。在時間框架內，SynCom處理引發了動態的、時間依賴性的群落變化。β多樣性分析顯示，在T1和T2時間點，MIX2處理的細菌群落與對照有顯著差異。在門水平上，所有處理組隨時間均表現出Planctomycetota和Verrucomicrobiota相對豐度增加，而Proteobacteria、Actinobacteriota和Bacteroidota減少的趨勢。

差異豐度分析揭示了SynCom處理對細菌群落的顯著重塑，且主要影響低豐度的“稀有生物圈”類群。T1時響應最強烈，共鑒定出136個差異顯著的細菌屬，其中MIX2引發的響應最廣。早期響應（T1）以多個細菌類群的富集為特征，包括一些參與硫循環（如^Sulfurovum、^{Desulfosporosinus}）和氮循環（如^Azospirillum）的稀有類群。到T4時，群落響應趨于一致，且主要表現為類群的耗竭，共有18個細菌屬在所有處理中均被耗竭。真菌群落的響應較弱且延遲，主要在T2和T4被檢測到。SynCom處理似乎調節了真菌的演替，例如在T4時，所有處理組中Basidiomycota（擔子菌門）的相對豐度均高于對照。

利用PICRUSt2預測功能顯示，MIX2和MIX3處理的根際細菌群落，其預測的基因家族在萜類、聚酮類代謝以及碳水化合物和氨基酸代謝等相關通路上表現出耗竭，而在異生物質（Xenobiotics）生物降解和代謝通路上則顯示富集。MIX1處理則呈現相反趨勢。這表明含有^Pseudomonas的SynCom可能引導群落功能向解毒等方向轉變。

通過序列比對追蹤接種菌株發現，大多數匹配接種菌株的ASV在根際中的絕對豐度隨時間推移而下降，到T4時部分菌株（如^Leclerciasp. S52、^{Chryseobacterium}sp. POE47）已檢測不到或豐度極低。值得注意的是，一些與接種菌株匹配的ASV在未接種的對照中也有檢出，表明它們是土壤中已有的土著成員。

本研究構建了三個由番茄核心微生物組來源的本地PGPR菌株組成的小型合成群落，并證實它們均能促進番茄生長，其中含有^Pseudomonas的MIX2和MIX3效果最為顯著。研究表明，SynCom并非通過接種菌株自身長期、高密度的定殖來直接發揮作用，而是通過早期、間接地調控根際土著微生物組，特別是“稀有生物圈”，來產生持續的促生效應。根際細菌群落的響應具有明顯的時間動態：早期（T1）特異性富集與關鍵生物地球化學循環相關的稀有類群；后期（T4）各處理組響應趨同，主要表現為稀有類群的耗竭以及預測功能向異生物質降解通路的轉變。此外，SynCom還發揮了一種微妙的跨界調節作用，影響了真菌群落的演替，維持了Basidiomycota和Mucoromycota的種群。功能預測分析提示，含有^Pseudomonas的SynCom可能引導細菌群落形成了相似的功能狀態。

這項研究的意義在于，它證明了基于宿主核心微生物組、合理設計的、分類學多樣的小型合成微生物群落，能夠有效促進作物生長并重塑根際微生物群落結構，其作用機制關鍵在于對稀有生物圈的早期調控而非接種菌的持久占位。這加深了我們對微生物接種劑如何與復雜土壤生態系統互作的理解，為開發下一代高效、穩定的微生物肥料或生物防治產品提供了重要的理論依據和設計新思路，即從追求單一菌株的“明星效應”轉向注重調控土著微生物組的“生態系統工程”。研究成果支持利用定制化的、基于核心組的微生物群落來改善作物生產力和土壤健康，盡管將其優化用于農業實踐仍需進一步研究。