通過使用高產的作物品種以及投入更多的化肥、農藥和用水，“綠色革命”使得全世界的作物產量提高了十多倍。數以百萬的人得以遠離貧困和饑餓，同時，未耕作土地向耕作土地的轉變也減少。然而，環境惡化也接踵而至，包括土壤退化和化學徑流等的加劇。據預測，2050年全球人口將達到97億。因此，亟需一個新的和可持續的革命來維持農業生態系統的健康、避免農業施用物的過度使用以及保護稀缺的水資源。想要實現可持續地提高糧食安全、提高作物對生物和非生物脅迫的適應能力、以及減少農業碳排放這些重大目標，需要在多學科和植物生物群系的不同部分中進行前所未有的創新。一個大有可為的方法就是利用微生物組的知識造福農業。
利用微生物改善農業生產的例子屢見不鮮。早在19世紀末，美國就開始利用土壤微生物提高作物產量。目前，微生物已被用作生物農藥/生防制劑（防治害蟲和病原菌）、生物肥料和生物刺激素等。微生物菌劑的獨特性能和持久性使人們認識到，微生物的功能和持續性依賴于植物生物群系內部的相互作用，即環境、宿主植物和其它土著微生物之間的相互作用。最近的技術突破使得人們對植物相關的微生物組的復雜性、微生物的結構和功能的定義以及自身之間和宿主之間的相互作用等有了深入的了解，為微生物組和微生物產品（如生物肥料、生物農藥和生物刺激素）的應用提供了一條光明的道路。它們已經引起社會各界廣泛的興趣、努力和投資（來自工業和資助機構），以便開發出有針對性的微生物組合來幫助植物吸收營養和礦物質、應對脅迫或增強免疫反應從而抑制害蟲和病原菌。微生物組的應用不僅限于改善植物健康，更是一種更全面和系統的方法，包括人類健康。系統生物學提供了一個全局且綜合的方法來解開復雜的微生物與宿主植物的相互作用。
2021年3月3日，美國科羅拉多州立大學Jan E. Leach團隊在New Phytologist上發表了題為Enabling sustainable agriculture through understanding and enhancement of microbiomes的綜述性論文，從多角度闡明了微生物組在可持續農業中的巨大潛力，并總結出挖掘和利用微生物組的技術流程。
作者首先結合最新的研究進展，從六個方面（1. 理解植物微生物組的多組學方法；2. 核心和中心微生物；3. 微生物組對植物功能的影響；4. 微生物組的裝配機制；5. 微生物組的定制；6. 產品商業化）全面和系統地論證了微生物組的特性和重要性以及對可持續農業的應用潛力。
作者最后總結出挖掘和利用微生物組的黃金法則。簡而言之，使用多組學技術（擴增子測序、宏基因組、宏轉錄組、宏蛋白組、宏代謝組以及培養組學等）揭示抑病環境或者更利于植物生長的環境中的微生物特性。通過構建相互作用網絡選擇有益微生物組，并根據結構特性和/或功能模塊識別潛在的關鍵微生物。使用高通量平臺培養單個微生物，并通過基因組、代謝和生理分析確定其特征。首先篩選出具有有益特性的菌株，然后基于微流體的平臺在二元的微生物-微生物和植物-微生物相互作用中進一步篩選。具有預期功能且用于構建合成微生物群落（synthetic microbial community，SynCom）的微生物可以通過合成生物學加以改進。通過預測建模來設計不同復雜程度的SynComs，該模型可以評估特征冗余、優勢、模塊化、相互作用和裝配。在溫室或使用標準化制造的生態系統或微流控平臺中，進一步驗證SynComs對植物生長的促進能力以確保有益特性的可重復性。最具前景的SynComs則被應用到大田中。在大田中，給無人機安裝上各種傳感器并連接可移動的DNA測序儀用于自動檢測植物的響應以及微生物的群落結構。微生物組-表型組-環境數據的數據集將被用于預測微生物動態，從而使得SynCom應用到按比例擴大的智能農場中成為可能。
編輯∣馮曾威
審核∣姚青
廣東省科學院微生物研究所菌種組-華南農業大學園藝學院土壤微生物組聯合團隊
