在廣袤的田野上，每一抔泥土都隱藏著一個(gè)微觀的奇妙世界——數(shù)量龐大、種類繁多的微生物。雖肉眼不可見，它們卻是農(nóng)作物的隱形“守護(hù)者”，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域扮演著極為關(guān)鍵的角色。近年來，微生物研究進(jìn)入了一個(gè)全新的發(fā)展階段，尤其是在土壤微生物群落、植物與微生物相互作用等方面的探索，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了重要支撐。在全球農(nóng)業(yè)面臨高效生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)雙重壓力的背景下，微生物正在改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式，並為解決諸多難題提供新思路。

搞清作物的“第二基因組”

微生物，是一類體型微小、結(jié)構(gòu)簡單的生物，包括細(xì)菌、真菌、病毒等。它們廣泛存在於土壤、水體、空氣中，當(dāng)然，也包括農(nóng)作物的根際土壤。這些微生物數(shù)量驚人，1克土壤中就可能含有數(shù)十億個(gè)微生物細(xì)胞。它們編碼的基因組信息約為植物自身的數(shù)十倍，被稱為作物“第二基因組”。

長期以來，人類對土壤微生物的認(rèn)識停留在“黑箱”狀態(tài)——大量微生物因難以在實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)，因此無法獲取其功能特性，更難在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中加以利用。然而，隨著技術(shù)的不斷創(chuàng)新，高通量的微生物分離培養(yǎng)已成為可能，越來越多的微生物能被進(jìn)一步研究及挖掘，它們自帶的遺傳信息也逐漸被揭示，作物“第二基因組圖譜”呼之欲出。

那麼，從復(fù)雜的環(huán)境中獲取這些微生物資源需要解決哪些問題呢？主要是兩大挑戰(zhàn)：一是如何從植物微生物群落中獲得大量可培養(yǎng)的單一菌株﹔二是如何對這些菌株進(jìn)行篩選並準(zhǔn)確地進(jìn)行物種鑒定？

如今，這兩大挑戰(zhàn)都有了解決辦法。簡單來說，第一個(gè)問題的解決方法是基於梯度稀釋的原理，利用多種不同的細(xì)菌培養(yǎng)基對根際微生物群落進(jìn)行稀釋，分離出大量可培養(yǎng)的單一細(xì)菌懸液。每個(gè)分離出來的細(xì)菌懸液都會被賦予一個(gè)標(biāo)簽，以便后續(xù)區(qū)分和追蹤。解決第二個(gè)問題則要採用高通量測序技術(shù)，獲取所有細(xì)菌懸液的對應(yīng)序列標(biāo)簽和物種信息。通過追蹤這些標(biāo)簽，可以篩選出一些獨(dú)特且有潛力的菌株，以進(jìn)一步進(jìn)行基因組測序，繪制其完整的基因組信息。

經(jīng)過近10年的積累，我國科研團(tuán)隊(duì)不斷接力，已經(jīng)完成了涵蓋水稻、小麥、玉米等主糧作物及番茄、苜蓿等十余種經(jīng)濟(jì)作物的根系細(xì)菌資源庫，並配套詳細(xì)的基因組圖譜。這些資源不僅為本領(lǐng)域研究提供豐富的菌株基礎(chǔ)，更為將來發(fā)展個(gè)性化施肥、定制型微生物菌劑等農(nóng)業(yè)新技術(shù)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在農(nóng)田管理中，傳統(tǒng)“靠經(jīng)驗(yàn)、靠慣例”的施肥施藥方式，正逐步被“看基因、看微生物”的科學(xué)化決策所取代。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的多功能伙伴

微生物在農(nóng)業(yè)中的作用，遠(yuǎn)比我們想象的強(qiáng)大得多。

微生物是農(nóng)作物的“營養(yǎng)師”，通過分解土壤中的植物難以直接利用的養(yǎng)分形式，如有機(jī)物質(zhì)、氧化物或難溶性鹽類，將其轉(zhuǎn)化為離子態(tài)，提高植物對氮、磷、鉀、鐵等營養(yǎng)元素的吸收。同時(shí)，微生物還能與植物根系形成共生關(guān)系，這些微生物就像是蟻群中的工蟻，將更多的營養(yǎng)持續(xù)不斷地輸送給蟻后（植物），幫助植物更高效地吸收這些養(yǎng)分。例如，根瘤菌與豆科植物共生，能將大氣中的氮?dú)廪D(zhuǎn)化為植物可利用的氮素，大大提高了土壤的肥力﹔水稻的兩個(gè)亞種秈稻和粳稻在氮利用效率上存在顯著差異，秈稻根系富集更多與氮循環(huán)相關(guān)的微生物類群，這些微生物幫助水稻利用土壤中的有機(jī)氮，可能是秈稻氮肥利用效率高於粳稻的重要原因之一。

除了幫助植物吸收養(yǎng)分，微生物還能增強(qiáng)植物對逆境的耐受性。在干旱、鹽鹼、高溫等惡劣環(huán)境下，一些特定的微生物能夠幫助植物調(diào)節(jié)自身的生理代謝，提高植物的抗逆能力，使其更好地適應(yīng)環(huán)境變化。此外，微生物還能成為植物“衛(wèi)士”，幫助植物抵御病害的侵襲，如赤霉病、青枯病、根腐病等常見農(nóng)業(yè)病害。它們可以通過競爭營養(yǎng)、產(chǎn)生抗菌物質(zhì)等方式，抑制病原菌的生長和繁殖，從而減少病害的發(fā)生，增強(qiáng)作物對惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)對日益頻繁的極端天氣提供有效策略。或許在不遠(yuǎn)的將來，這些菌株可以為作物加上“環(huán)境保險(xiǎn)”，提高作物在不可控環(huán)境中的自保能力，以減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)損失。

在提升作物品質(zhì)和產(chǎn)量方面，微生物也發(fā)揮著出乎意料的作用。以往我們觀察到的一些作物優(yōu)質(zhì)表型，可能在很大程度上源於微生物的作用。例如，高油大豆品種的根際富含大量Massilia細(xì)菌，這些細(xì)菌通過激活大豆的相關(guān)遺傳通路，促進(jìn)種子中油脂的積累，從而改善大豆的品質(zhì)。這可能是該品種在優(yōu)良遺傳基因之外的另一重要原因。此外，某些微生物分泌的小分子信號能夠直接影響植物的生長發(fā)育，從而提高作物的產(chǎn)量。例如，水稻根際屬於Exiguobacterium的菌株可以在自然田間調(diào)控水稻的分蘗數(shù)量，其合成的環(huán)二肽cyclo(Leu-Pro)能夠作用於水稻的激素受體，模擬作物內(nèi)源信號，從而調(diào)控水稻的分蘗表型。這些發(fā)現(xiàn)為作物品質(zhì)改良及單位面積產(chǎn)量提升，提供了一種新思路，即通過調(diào)節(jié)微生物組來優(yōu)化已有品種的作物性狀，而非依賴傳統(tǒng)的長周期育種策略。

農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的新方向

隨著科技的不斷進(jìn)步，我們對微生物的認(rèn)識也在不斷深入，它們在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大有可為，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來更廣闊的發(fā)展空間。

一方面，我們可以利用微生物的功能特性，開發(fā)出更加精準(zhǔn)、穩(wěn)定、高效、環(huán)保的農(nóng)業(yè)微生物菌劑。通過整合多種功能菌的特性，開發(fā)出功能多元化的復(fù)合菌劑，菌劑中的微生物可以相互協(xié)作，在田間環(huán)境進(jìn)行穩(wěn)定的功能輸出，綜合促進(jìn)作物的生長。

此外，根據(jù)不同作物或同一作物不同發(fā)育時(shí)期的需求，有針對性地補(bǔ)充有益微生物，提高土壤肥力，增強(qiáng)植物抗逆性，調(diào)控生長發(fā)育進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的目標(biāo)。與傳統(tǒng)的“化肥+農(nóng)藥”的生產(chǎn)模式不同，有益微生物的應(yīng)用在提升作物產(chǎn)量和品質(zhì)的同時(shí)，顯著減少對環(huán)境的負(fù)面影響。這種方法通過更精細(xì)的資源管理和更小的環(huán)境代價(jià)，推動(dòng)農(nóng)業(yè)的綠色、可持續(xù)發(fā)展。

另一方面，我們可以通過研究微生物與植物之間的相互作用，揭示植物主動(dòng)塑造根際微生態(tài)的機(jī)制。例如，植物根部會釋放一些特殊的次生代謝物，如三萜、香豆素等，這些化合物具有“選擇性喂養(yǎng)”作用，能促進(jìn)有益菌群生長，抑制潛在有害菌的定植。我們可以通過引導(dǎo)植物自身的代謝路徑，間接調(diào)控其微生物組，實(shí)現(xiàn)更加安全、無污染的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

此外，微生物在農(nóng)業(yè)病害防控方面也有著巨大潛力。通過挖掘微生物中的“暗物質(zhì)”，我們可以發(fā)現(xiàn)更多具有防病、抗蟲功能的有益化合物，為農(nóng)業(yè)病害防控提供新的思路和方法。例如，一種能顯著抑制小麥赤霉病的有益菌株可以分泌Herbicolin A，這種物質(zhì)能夠精準(zhǔn)破壞病原真菌的細(xì)胞膜，表現(xiàn)出強(qiáng)大的防病潛力。這些成果不僅拓展了農(nóng)業(yè)病害防控的路徑，也為發(fā)展微生物新藥、農(nóng)業(yè)合成生物技術(shù)提供了“原材料庫”，為微生物在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用開辟了新的領(lǐng)域。

在全球范圍內(nèi)，隨著農(nóng)業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的加速，微生物技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用已逐漸成為農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新的重要驅(qū)動(dòng)力。筆者團(tuán)隊(duì)通過十多年持續(xù)攻關(guān)，圍繞“第二基因組”的資源建設(shè)、功能解析與應(yīng)用轉(zhuǎn)化，系統(tǒng)推進(jìn)了我國根際微生物研究體系化進(jìn)程，並為國家農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展和種業(yè)振興戰(zhàn)略提供了重要科技支撐。

研究這些微生物，是希望讓種地更科學(xué)、施肥更精準(zhǔn)、病蟲害更少，讓農(nóng)業(yè)真正實(shí)現(xiàn)高效可持續(xù)。在全球高度關(guān)注綠色替代和種源創(chuàng)新的背景下，微生物研究正成為農(nóng)業(yè)科技新的增長極。隨著國家對綠色農(nóng)業(yè)、減肥增效、種業(yè)突破的持續(xù)布局，作物“第二基因組”的研究不僅是科學(xué)家的興趣，更是國家的戰(zhàn)略需要。

從微觀根際到廣袤田野，從實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)到畝產(chǎn)提升，這項(xiàng)研究正在改變農(nóng)業(yè)的思維方式，也正在改變你我餐桌上那碗米飯的來源方式。

（作者：白洋，系北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院研究員）

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