合成微生物群落構建技術在藥用植物栽培領域的應用

穆 朋，金 橋，劉政波，鄧云澤，劉 寧*

·綜 述·

合成微生物群落構建技術在藥用植物栽培領域的應用

穆 朋1，金 橋1，劉政波1，鄧云澤2，劉 寧1*

1. 中國農業科學院特產研究所 藥用植物栽培實驗室，吉林 長春 130112 2. 吉林省科技創新平臺管理中心，吉林 長春 130112

合成微生物群落（synthetic microbial communities，SynComs）是人為地將多個種類、功能等明確的不同微生物，在特定條件下以確定的比例進行混合，獲得穩定且功能明確的微生物群落，在促進植物生長、養分吸收、抵御逆境脅迫等方面具有重要作用。對SynComs技術的發展歷程、構建依據和方法，以及SynComs技術在促進植物養分吸收、抵抗生物脅迫和緩解連作障礙中的作用進行綜述，以期為藥用植物提質增效、產業可持續發展提供理論依據與技術支撐。

合成微生物群落；藥用植物；構建依據；養分吸收；生物脅迫；連作障礙

“一帶一路”倡議的提出，加強了中醫藥在世界范圍的影響力，中藥材是這一產業發展的物質基礎[1]。藥用植物是中藥材的重要組成部分，約占總量的90%，而80%藥用植物為野生資源[2]。隨著市場需求的不斷擴大，野生藥用植物遠遠不能滿足需求，人工栽培藥用植物迎來巨大機遇與挑戰。然而，我國藥用植物栽培過程中仍存在諸多問題，如生產技術不規范，過量施用化肥、農藥以及生長調節劑等，導致以塊根類入藥的藥用植物品質下降[3]，嚴重制約了藥用植物栽培產業發展。

根際微生物是植物整個生命周期不可或缺的組成部分，擁有的基因數量遠多于植物基因組，被譽為植物的“第二基因組”[4]，其對植物生長和健康發揮重要作用[5]。近年來，隨著微生物組學、計算生物學、合成生物學等研究的快速發展，利用合成生物學的方法，人工構建高效、穩定的合成微生物群落（synthetic microbial communities，SynComs），已逐漸成為新的研究領域[6]。目前，SynComs技術在擬南芥[7]、水稻[8]、玉米[9]、番茄[10]等植物生長、養分吸收和病害防控上已展開廣泛的研究。SynComs能實現比單一菌株更高效、更穩定的功能[11-12]，利用SynComs技術不僅能解析微生物與微生物間的相互作用，而且能闡明微生物群落與植物養分吸收、抵抗逆境脅迫等方面的互作機制。本文主要介紹SynComs技術的發展歷程、構建依據和方法，以及SynComs技術在促進植物養分吸收、抵抗生物脅迫和緩解連作障礙中的作用，以期為藥用植物提質增效、產業可持續發展提供理論依據與技術支撐。

1 發展歷程

合成微生物群落的報道始見于2007年，Shou等[13]通過遺傳雜交對酵母菌(Desm.) Meyen進行基因改造，獲得了2個代謝能力不同的非交配菌株R和Y，R合成賴氨酸但生長需要腺嘌呤，Y合成腺嘌呤但生長需要賴氨酸，將兩者共培養后形成穩定持續的合作關系，為以后合成群落的發展奠定了基礎。合成菌群的研究證明了相互作用、空間結構、代謝產物以及外源因素等對合成菌群的穩定至關重要[14-17]。2014年，Grosskopf等[18]明確提出SynComs的概念，將SynComs定義為由2種或2種以上微生物在成分明確的基質中建立的共培養體系。隨后，進一步揭示了宿主基因型以及核心微生物對于構建SynComs的重要性[7-9]。以上研究成果極大地推動和促進了SynComs技術的發展，為利用SynComs技術揭示根際微生物群落功能及其與植物相互作用機制奠定了堅實的基礎（圖1）。

圖1 合成微生物群落的發展歷程

2 構建依據和方法

SynComs是已知的具有明確功能的微生物組成的群落系統，具有復雜性低、功能強、穩定性好等特點。SynComs的構建并不是菌株之間簡單的隨機組合，而是需要考慮其內在聯系。

2.1 構建依據

SynComs構建過程受微生物自身、植物宿主以及環境等多因素調控，其中微生物自身的影響包括物種相互作用關系、代謝作用以及空間結構[30]。乳酸乳球菌(Lister) Schleifer經基因改造得到3個不同的菌株Cα、Cβ和Ks，三者之間的作用關系和強弱與相對豐度值的變化有關：當Cα與Cβ比值接近1∶1時，Cα和Cβ共生作用最強，Ks與Cα和Cβ的競爭相對穩定；當Cα與Cβ比值為30∶1時，Cα和Cβ共生作用最弱，Ks與Cα和Cβ的競爭處于優勢。這一研究證明了物種間相互作用關系影響SynComs構建的穩定性[31]。物種通過不同的代謝作用如營養互補、代謝分工影響彼此之間的相互作用進而影響SynComs的功能[32-33]。Mee等[34]將14種必需氨基酸的營養缺陷型大腸桿菌，進行兩兩配對混合培養，發現不同營養缺陷型物種之間可通過營養互補方式建立互利共生關系。物種之間也可通過代謝分工的方式影響SynComs的穩定性。斯特拉米梭菌Kato菌株CSK1能在厭氧條件下將纖維素降解為糖，梭狀菌屬Prazmowski菌株FG4消耗糖產生醋酸和乙醇，假黃單胞菌屬Finkmann菌株M1-3、博德特菌屬Shida菌株M1-6、短芽孢桿菌屬Moreno-Lopez菌株M1-5具備消耗氧氣和醋酸等特性，由這5種不同特性的細菌組成的混合群落，菌株之間通過代謝分工維持群落穩定，提高纖維素降解功能[35]。微生物細胞會分泌小分子物質如多肽、抗生素等，這些物質的擴散速度和距離不同，使微生物之間形成特定的時間和空間結構，影響物種之間局部作用的強弱[36]。秈稻內生菌［(Sav. Verma, Aj. Varma, Rexer, G. Kost & P. Franken) M. Weiss, F. Waller, Zuccaro & Selosse］為硫胺營養缺陷型，土壤枯草芽孢桿菌(Ehrenberg) Cohn可為其補充硫胺素，將兩者直接混合培養時沒有產生偏利共生的相互作用，而將秈稻內生菌孢子與枯草芽孢桿菌在空間上隔開培養，或先接種秈稻內生菌孢子一段時間后再與枯草芽孢桿菌共培養，可產生明顯的偏利共生作用，證明物種之間特定的時間和空間結構會影響SynComs的穩定性[37]。

因此，SynComs構建需綜合考慮物種間的相互作用關系、代謝作用和空間結構，其是保障SynComs具有穩定性的前提。

2.2 組裝

研究表明，圍繞設計-構建-測試-學習4步為1個循環的方法可用于SynComs的組裝[6,38]。

2.2.1 設計 SynComs可采用“自上而下”和“自下而上”的設計（design）。“自上而下”通常是采用傳統微生物工程的方法，利用可控的環境變量使微生物群落通過生態系統（物理、化學和生物等）選擇過程獲得所需特定功能[39]。如大腸桿菌和惡臭假單胞菌(Trevisan) Migula適應生存的溫度范圍不同，相對于惡臭假單胞菌，大腸桿菌可在更高的溫度下實現最大生長速率，通過調節溫度觀測群落組成變化，當溫度達到35.5～39 ℃時可使大腸桿菌和惡臭假單胞菌共存，證明溫度能有效地調控SynComs的組成[40]。然而，此類方法忽略了微生物的原位代謝網絡和物種之間的相互作用，很難在分子層面對SynComs功能進行解析。隨著宏基因組學、宏轉錄組、宏蛋白組和宏代謝組等多組學的發展，微生物組功能、代謝網絡和物種之間錯綜復雜的互作關系被進一步揭示，“自下而上”的方法得以建立，該方法通過多組學獲取微生物組中物種成員的功能基因信息[41]、RNA和蛋白質豐度[42-43]、代謝方式[44]等相關信息，利用數學模型或網絡分析等方法預測微生物群落的潛在功能、代謝網絡和相互作用關系，進一步通過表型篩選構建某種特定功能的SynComs[45-46]（圖2）。Moronta-Barrios等[47]利用“自下而上”的方法構建了一個結構穩定且能分泌生長素來促進水稻生長的簡化SynComs。

2.2.2 構建 微生物組可培養是構建SynComs最基本的要求和基礎，傳統的微生物分離培養技術僅能獲得自然界中1%～10%的微生物[48]，制約了微生物組的發展。而高通量培養組學技術的出現使SynComs的組裝成為可能。高通量培養組學常用的分離培養方法有微流控芯片培養技術和高通量培養技術。微流控芯片培養技術是指將微生物培養、分選等基本操作單元集成到芯片上，通過相互隔開的腔室或液滴分離微生物，控制微流體通道對微生物在不同營養因子下的生長條件、培養時間等進行精確調控，實時監測微生物的形態變化，最終完成微生物培養、鑒定等功能[49]。該技術具有自動化、高通量、低消耗等優點，已被廣泛應用于生命科學領域[50]。高通量培養技術是建立在稀釋培養法的基礎上，將稀釋后的樣品置于96孔細胞培養板，利用細胞分選和菌落挑選對微生物進行篩選，結合雙重條形碼標記對微生物進行測序鑒定，在短時間內即可檢測出大量微生物，極大提高微生物的培養效率和分離新物種的可能性[51]。通過高通量培養技術可鑒定擬南芥64%根際微生物和54%葉際微生物[19]。

圖2 “自下而上”的方法構建合成微生物群落的技術流程圖

2.2.3 測試 測試是指對SynComs的動態變化和植物的表型特征進行監測和數據采集[52]。該階段需要采集的數據包括微生物組的動態特征如生長速度、代謝通量等；宿主植物表型特征如養分含量、生物量積累等[38]；無菌系統的物理化學特性如pH、化學成分濃度等。熒光成像技術可以實現對微生物的原位觀察，主要包括通過化學修飾的方法對特定微生物進行代謝標記和基于16S rRNA的熒光原位雜交技術[53-54]。對微生物進行標記的熒光蛋白和代謝成像，可以實時監測微生物在時空上的動態變化如生長速率、代謝通量[53,55]。熒光原位雜交技術可定位微生物在微米尺度上的生物分布，有助于充分理解微生物群落的定殖、生理生態和相互作用[54]。植物表型特征是評估SynComs有效性的重要因素，由于微生物會影響宿主植物的生理狀態如養分含量、激素含量等，因此，觀測植物表型并采集相關數據是衡量SynComs功能是否穩定的重要手段[56]。

2.2.4 學習 學習是對測試階段所獲得的微生物生長速率和代謝通量等數據進行信息整合的過程，對SynComs的穩定性以及成員之間的代謝網絡等進行數學建模分析，評估SynComs是否可以達到預期標準。數學模型是Learn階段驗證測試結果的有效手段，通過分析數學預測模型和試驗數據判斷SynComs的構建是否需要進一步優化。較為常用的數學模型分析主要有通量平衡分析（flux balance analysis，FBA）和動力學模型[57]。FBA通過識別和優化給定目標函數（如生物量）的可用代謝通量，對細胞內的反應通量、代謝物消耗、生產速率以及細胞生長速率進行定量預測，作用主要是重構微生物群落的代謝網絡，模擬微生物之間的代謝水平[58]。動力學模型包括Monod方程、Lotka-Volterra模型等可有效預測SynComs群落隨時間發展的動態特征和穩定性，其中Lotka-Volterra模型利用種群內物種的生長速率和不同物種的相對豐度等指標預測SynComs的穩定性[59]。

通常，根據植物表型特征需進行一輪或多輪“DBTL”循環來優化SynComs的設計和功能，達到模擬生態系統的過程。目前，“自下而上”的設計方法都是基于簡單群落，而將具有數十至數百種不同物種的復雜群落應用到非模式植物上時，應綜合考慮“自上而下”與“自下而上”的設計方法。同時，高通量測序技術的發展也有助于進一步深入了解不同生態環境下微生物群落的功能以及控制它們相互作用的原則，構建穩定且具備特定功能的SynComs，揭示微生物組與植物之間的相互作用關系，闡明微生物組在促進植物生長、養分吸收以及生物脅迫等方面發揮的重要作用。

3 應用

與其他作物不同，大多數藥用植物為多年生宿根植物，生長周期達幾年甚至幾十年，但在栽培過程中為了提高產量大量使用化肥、農藥，不僅造成土壤環境惡化，而且嚴重影響了藥用植物品質，不利于藥用植物栽培產業的可持續發展。根際微生物在促進植物養分吸收、抵御病蟲害、緩解連作障礙等方面有著顯著的效果，且綠色環保。SynComs有利于從微生物群落水平上探討微生物種群內部關系以及根際微生物群落與植物根系的互作機制。

3.1 促進養分吸收

利用根際微生物促進土壤養分轉化是提高植物養分吸收的關鍵驅動因素[60]。根際微生物通過分泌溶解酶、產生鐵載體、分泌激素等直接或間接促進土壤養分活化[61]。祝英等[62]發現由蘇云金芽孢桿菌Berliner、解淀粉芽孢桿菌(ex Fukumoto) Priest、蠟狀芽孢桿菌Frankland & Frankland等8種有益細菌混合而成的復合菌劑，能夠顯著增加當歸根際土壤有效磷和有效鉀的含量。鷹嘴豆根際分離出的根際細菌如褐球固氮菌Beijerinck、枯草芽孢桿菌、銅綠假單胞菌(Schroeter) Migula和短小芽孢桿菌Meyer & Gottheil組成復合菌劑，能顯著增加土壤中有效磷含量[63]。假單胞菌能通過分泌有機酸的形式溶解土壤中的難溶性無機磷[64]，將8種假單胞菌根據成員數量組成不同的SynComs，發現隨著SynComs物種多樣性的提高，假單胞菌的存活能力、鐵載體的產生量、有效磷含量、番茄磷含量以及生物量的積累顯著增加[10]。根際微生物組能通過調控植物基因的轉錄水平，影響植物對養分的吸收利用[22]。Wang等[28]將大豆根際分離的12種菌株組成SynComs，發現其能上調氮轉運相關基因（等）和磷酸鹽轉運相關基因（等）的轉錄水平，增加大豆對氮、磷養分的協同吸收。Castrillo等[22]研究發現，一個由35種細菌組成的SynComs，能激活植物磷饑餓反應途徑中的關鍵轉錄因子PHR1的表達，促進植物低磷脅迫下磷的吸收。擬南芥根系內皮層木栓化與根際微生物群落之間的協同作用對礦質營養內穩態的研究表明，41種不同細菌組成的SynComs抑制脫落酸轉錄信號通路關鍵基因和的表達，下調脫落酸含量，減輕內皮層木栓化，增強植物對養分脅迫的適應性，從而揭示了根部擴散屏障與根際微生物群落之間的協調作用能有效控制植物養分平衡[27]。

在長期連續地種植過程中，藥用植物特定地吸收土壤中的礦質元素，造成根際礦質養分下降，影響藥用植物的生長與有效成分累積[65]。研究表明，集約栽培的黃芩[66]、西洋參[67]根際土壤銨態氮、速效磷、速效鉀等養分含量降低。瑞香狼毒[68]、九味一枝蒿[69]等根際存在多種生理功能的細菌如固氮細菌、解磷細菌、解鉀細菌以及鐵載體細菌，它們分布于α變形菌門（α-Proteobacteria）、γ-變形菌門（γ-Proteobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）以及放線菌門（Actinobacteria），這些高多樣性的菌群有助于藥用植物對礦質元素的協同吸收，促進藥用植物的生長[70]。而集約栽培的藥用植物隨著種植年限增加，土壤中細菌多樣性降低，有益細菌如放線菌、厚壁菌的種類和數量明顯減少[71]，降低了植物對土壤養分的利用效率。SynComs技術可根據不同功能調節群落物種組成，如利用固氮菌、溶磷菌、叢枝菌根真菌等構建SynComs實現不同物種之間的代謝分工，在修復土壤微生物結構的同時促進藥用植物對氮、磷、鐵等多種養分的協同吸收和高效利用，從而提高藥用植物品質。

3.2 緩解生物脅迫

微生物群落的多樣性與植物的抗病能力密切相關，微生物多樣性程度高的菌群更能有效抵御病原菌的入侵[72]。白曉麗[26]通過比較黃芪健康植株和患病植株根際微生物群落組成的差異，發現患病根匯合桿菌屬Park、細桿菌屬Orla-Jensen、土地桿菌屬Steyn等13種細菌的豐度顯著上調，疣微菌屬Schlesner、短桿菌屬Collins、柄桿菌屬Henrici & Johnson等12種細菌顯著下降，利用13種上調細菌組成的SynComs能有效防治尖孢鐮刀菌HQ-16引起的根腐病，且防控效果比單一菌株貝萊斯芽孢桿菌Ruiz-Garcia更好。吳林坤等[73]發現由伯克氏菌屬Yabuuchi、芽孢桿菌屬Cohn等組成的復合菌劑能同時降低太子參根際病原菌尖孢鐮刀菌Schltdl、踝節霉菌(Raper & Fennell) C. R. Benj、科薩科尼亞氏菌(Zhu) Gu的絕對含量。假單胞菌能通過分泌抗生素如2,4-二乙酰基間苯三酚、吩嗪-1-羧酸等抑制病原菌的生長[64]，Hu等[21]在田間生長的番茄根際加入由8種假單胞菌組成的SynComs，與單一假單胞菌相比，SynComs抑制青枯雷爾氏菌(Smith) Yabuuchi的效果更好。高度多樣性菌群所表現出的這種能力可能是因為不同微生物之間形成相互作用共同抵御病原菌入侵[74-75]。Santhanam等[24,76]將5種細菌組成SynComs，發現在田間條件下，只有當SynComs成員全部存在的情況下才能顯著降低鐮刀菌的發病率，而單個分離株或其他較小組合的效果并不理想。SynComs抵御病原菌的機制之一是與其形成競爭，抑制病原菌對植物的侵染。Wei等[20]發現由5種細菌組成的SynComs能夠與青枯雷爾氏菌形成營養競爭，進而抑制番茄青枯病的發生。Durán等[23]將擬南芥根際分離的148個細菌、34個真菌和8個卵菌組成SynComs，發現不同界之間存在競爭作用，細菌群落能保護擬南芥免受絲狀真菌和卵菌的侵染。此外，群落內部的相互作用也能影響病原菌對植物的侵染。Li等[25]利用6種不同屬的細菌建立SynComs，研究不同菌群中菌株相互關系對青枯雷爾氏菌侵染的影響，發現存在拮抗作用的菌群比存在協同作用的菌群能夠更好地抵御青枯雷爾氏菌。根際微生物群落除了直接作用于土壤病原菌，還可以調控植物免疫相關基因的表達，誘導其免疫反應。Ma等[29]將擬南芥根際分離的細菌組成不同的SynComs，通過調控免疫相關基因和的表達來抑制或誘導植物根際免疫反應，進而調節宿主對病原菌假單胞菌屬Migula的抗性。

病蟲害頻發是藥用植物集約化栽培過程中導致產量和品質下降的關鍵因素。具體表現為土壤有益微生物如芽孢桿菌[77]、固氮菌[78]、放線菌[79]等大量減少，病原菌如銹腐菌(Zinssm.) Rossman, L. Lombard & Crous、根腐菌(Mart.) Sacc.以及病原生物線蟲(Zimmemann) Filipjev & Schuurmans Stekhoven[80-82]大量積累，導致病蟲害頻發。本課題組研究發現，人參銹腐病是由土赤殼屬P. Chaverri & C. Salgado、類土赤殼屬-like和尾孢菌屬U. Braun組成的復合真菌引起的[83]，利用復合菌劑能很好控制病害的發生。木霉菌Rifai和弗氏鏈霉菌Waksman & Curtis 2種拮抗菌組成的菌劑，木霉菌產孢量大可以與銹腐病菌(Zinssm.) Scholten、立枯病菌J. G. Kühn競爭生存空間，弗氏鏈霉菌一方面分泌多種抗生素抑制病原菌生長，另一方面分泌激素、有機酸等次生代謝產物促進植物根系生長，兩者協同作用能有效防治西洋參立枯病和銹腐病[84]。未來通過SynComs技術進行生物防治可提高藥用植物對病原菌的抵抗能力，提升藥用植物產量和品質。

3.3 緩解連作障礙

連作障礙是限制藥用植物集約化栽培的重要科學問題。土壤微生物群落失衡是導致連作障礙的關鍵因素之一[85]。人參連作會導致土壤中有益細菌如芽孢桿菌屬Cohn、硝化螺菌屬Garrity & Holt、嗜熱油菌屬Suzuki and Whitman和有益真菌如被孢霉屬E. Coemans、附球菌屬Link、青霉菌屬Link的豐度降低，而潛在的致病真菌土赤殼屬P. Chaverri & C. Salgado、四枝孢屬De Wild.和細齒屬de Hoog的豐度上升[86]。三七連作后，細菌、放線菌、亞硝化細菌、芳香族分解菌、固氮菌和鉀細菌的數量減少[87]，土壤中的有益真菌粘頭目屬G. Weber, Spaaij & Oberw.和曲霉菌屬P. Micheli ex Haller的豐富度呈現下降趨勢，而病原真菌鏈格孢屬Nees、柱孢屬Wollenw、鐮刀菌屬Link和擬盤多毛孢屬Steyaert呈上升趨勢[88]。地黃連作會引起根際、根圍土壤細菌多樣性降低，數量大幅降低，而長枝木霉Rifai、黃曲霉Link等真菌數量顯著增加[89-90]。在不同的藥用植物連作土壤中，都存在共同的現象即藥用植物有益菌種數量下降或消失，而病原菌數量增加，土壤微生物群落組成逐漸轉向不利于植物生長的方向，但群落產生這一變化的調控機制尚不完全清楚。通過SynComs技術中的微生物培養組學方法可以構建和還原正常土壤和連作土壤核心功能群落，將進一步揭示連作土壤群落失衡的成因。

微生物群落的多樣性、結構與功能影響著植物的整體健康以及對不利環境的響應。叢枝菌根真菌可將菌絲延伸到植物根系外，一方面可幫助植物獲取額外的養分和水分，另一方面可以富集根際土壤中的有益微生物假節桿菌屬Busse、鏈霉菌屬Waksman & Henrici和細長孢霉Linnem，抑制尖孢鐮刀菌、腐皮鐮刀菌(Mart.) Sacc生長，在緩解藥用植物連作障礙上起著重要的作用[71]。從人參根際篩選出的醋酸鈣不動桿菌(Beijerinck) Baumann、鮑氏不動桿菌Bouvet & Grimont等5種細菌能夠有效降解苯甲酸、棕櫚酸等化感物質，有利于緩解人參連作障礙[91]。于彥琳等[92]使用由22種菌種混合而成的菌劑處理連作蘭州百合，發現土壤中細菌數量增多，真菌數量減少，有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀含量顯著上升，有效緩解了百合連作障礙。以上研究表明，通過在土壤中加入特定菌株或菌群，能夠明顯改善連作問題，然而這些菌株往往只是復雜群落中承載單一功能的菌株，它們是否對整個群落的功能和群落中菌株的生存趨勢有積極影響尚缺乏相應的研究。SynComs技術通過構建群落中每個菌株的代謝通量數學模型，對種群的核心功能和發展趨勢進行預測，從而為核心菌群的研究提供更快捷準確的分析、構建以及預測方法。

SynComs技術的應用將有助于連作土壤微生物群落失衡過程的動態模擬，分析和預測核心群落的構成和演化趨勢，進而揭示群落失衡的原因。同時，利用SynComs技術將功能明確（如固氮、溶磷、產生長素和鐵載體等）且具有互補性、相容性和協調性的微生物構建成穩定菌群，使其發揮促進藥用植物養分吸收、根系生長、抵抗病害等綜合作用，進而緩解連作問題。SynComs技術有助于明確藥用植物土壤-根系-微生物群落之間的互作關系，從土壤微生物的角度詮釋連作障礙成因、緩解連作障礙，對藥用植物栽培產業可持續發展具有重要意義。

4 結語與展望

近年來，隨著宏基因組學、微流控技術、高通量培養組學以及生物信息學等技術的結合，藥用植物微生物群落組成、結構和功能的研究已取得了一些重要進展[93-94]，但對其功能特性的了解還相對較少。而SynComs技術在藥用植物栽培領域的研究尚處于起步階段，其在促進藥用植物有效成分積累、提高抗逆性以及緩解連作障礙等方面的調控機制尚需深入研究。未來，除了需要探討群落菌種的選擇、構建方法和條件等技術手段，還應考慮更多實際應用問題。

4.1 SynComs與藥用植物次生代謝物的關系

次生代謝物是藥用植物品質和藥效的基礎，植物根際土壤微生物群落與次生代謝物之間存在強耦合性。根際微生物群落可以誘導植物分泌次生代謝物來滿足自身對底物的需求，而植物也可以通過分泌不同的次生代謝產物來招募自身需要的功能群落[95]，如擬南芥根系三萜化合物可調控根系微生物群落組成，同時微生物群落可對三萜化合物進行特異性修飾[96]。因此，闡明SynComs與藥用植物次生代謝物的調控關系是必要的，既有助于提升藥用植物品質，又可以促進SynComs穩定定殖，是實現藥用植物野生環境與集約環境同質化栽培技術的關鍵。

4.2 SynComs與土壤理化性狀的關系

土壤是藥用植物生長發育的根本，特定的土壤環境形成特定的土壤微生物群落，從而對藥用植物品質產生特定的影響。隨著土壤“微生物暗物質”被逐漸揭示，研究者獲得了大量微生物信息，但由于無法大規模、精準還原這些土壤微生物，所以難以解答不同理化性質下微生物結構差異性的關鍵問題。因此，亟需對土壤微生物核心群落進行構建和還原。SynComs技術提供了從功能設計到精準還原的有效途徑，為理解不同土壤環境下的微生物系統提供了可能，從而揭示不同栽培環境下微生物群落和土壤理化性狀之間的關聯性，為藥用植物擬境栽培提供理論支撐。

4.3 SynComs推動新型生物肥料的研發

在藥用植物栽培領域，由化肥農藥不合理使用引發的土壤酸化、連作障礙等問題，嚴重阻礙了藥用植物產業的可持續發展。因此，急需尋求一種高效環保的替代方案來保障藥用植物的生長和健康。與植物根際微生物有關的功能菌如枯草芽孢桿菌、熒光假單胞菌Migula、哈茨木霉Rifai等被廣泛應用于微生物肥料和生物防治劑，而單一微生物菌劑在復雜田間土壤環境下的定殖效果不穩定。通過SynComs技術設計出來的微生物群落，天然就具備高適應性、高可靠性、高穩定性的特點，可以有效彌補單一生物菌劑在定殖方面的不足。因此，利用SynComs研發新型生物有機肥，挖掘出根際微生物的巨大潛力，為藥用植物栽培產業在化肥農藥減施背景下的綠色轉型提供新思路與新策略。

利益沖突 所有作者均聲明不存在利益沖突

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Application on construction technology of synthetic microbial communities in field of medicinal plant cultivation

MU Peng1, JIN Qiao1, LIU Zheng-bo1, DENG Yun-ze2, LIU Ning1

1. Laboratory of Medical Plant Cultivation, Institute of Special Animal and Plant Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Changchun 130112, China 2. Jilin Science and Technology Innovation Platform Management Center, Changchun 130112, China

Synthetic microbial communities (SynComs) are artificial combinations of two or more different microorganisms with known categorical status and definite functional characteristics. The Synthetized microbial communities play an important role in promoting plant growth, nutrient absorption, and resistance to stress. Development history, construction basis and method of SynComs, and the effects on promoting plant nutrient absorption, resistance to biological stress and alleviating continuous cropping obstacles of SynComs were reviewed in this paper, in order to provide theoretical basis and technical support for the health of medicinal plant rhizosphere soil and green and sustainable development of agriculture.

synthetic microbial communities; medicinal plants; construction basis; nutrient absorption; biological stress; continuous cropping obstacles

R282.2

A

0253 - 2670(2022)08 - 2506 - 11

10.7501/j.issn.0253-2670.2022.08.028

2021-10-29

吉林省科技發展計劃重點研發項目（20200404013YY）；吉林省科技發展計劃項目（20191008001TC，20200702106NC，20210202095NC）；中國農業科學院科技創新工程項目（CAAS-ASTIP-ISAPS-2021-012，CAAS-ASTIP-ISAPS-2021-020）

穆 朋（1995—），男，碩士研究生，研究方向為藥用植物與根際微生物互作研究。E-mail: mp15638835679@163.com

劉 寧，副研究員，研究方向為藥用植物與根際微生物互作研究。E-mail: liuning198219@163.com

[責任編輯 崔艷麗]