基于根際互惠功能體的微生物肥料研發思考

關鍵詞：有益菌；微生物肥料；土壤障礙；生態效應

微生物肥料是指以有益菌的生命活動為核心，使農作物獲得特定的肥料效應的一類肥料制品，包括微生物菌劑、復合微生物肥和生物有機肥。經過半個世紀的發展，以木霉（Trichodermasp.）、芽孢桿菌（Bacillussp.）、假單胞菌（Pseudomonassp.）、根瘤菌（Rhizobiumsp.）、菌根真菌（Mycorrhizalfungi）等為代表的微生物肥料產品受到廣泛關注，在提升土壤養分利用效率、消減土壤生物和非生物障礙中發揮了至關重要的作用[1?4]。以上成效與微生物肥料領域在挖掘有益菌資源、構建穩定合成菌群、優化高密度發酵技術、延長產品貨架期以及復配營養載體等方面持續的科技攻關密不可分[5?8]。盡管微生物肥料的認可度在逐步提升，但在應用過程中依然存在有益菌在土壤環境中定殖能力差、功能難發揮和效果不穩定的共性難題。為助力這一問題的解決，本文以植物?土壤微生物互作形成的根際互惠功能體為理論依據，從根際核心有益菌的通量精準挖掘、有益菌與“益生元”的智能匹配設計、消減土壤復合障礙的高效菌群構建、有益菌?秸稈生物高值高密度發酵以及土體提質?根際增效綜合應用策略等方面進行思考（圖1），以期推動微生物肥料產業的技術瓶頸突破和農業綠色可持續發展轉型。

1土壤障礙與根際互惠功能體

土壤障礙在我國廣泛分布，土壤障礙因子多樣，如干旱、澇漬、酸化、鹽堿、污染以及日趨嚴重的土壤生物障礙等，嚴重制約我國土壤產能的提升和農產品的安全供給。在健康的土壤?植物系統中，植物根系?根際土壤微生物形成互惠互利的微生態系統，在植物促生、抑病與養分高效利用等方面發揮重要作用。國內外學者提出了“根際生命共同體”[9]、“植物?土壤反饋”[10]、“植物共生體”[11]等理論框架，從不同角度闡明了這一互惠關系。本文認為土壤障礙發生的實質是植物與土壤微生物的匹配性差，植物無法塑造有利于根際有益菌生存的適宜環境，未能提供有益菌定殖生長和功能發揮的關鍵物質，導致有益菌無法幫助植物消減土壤障礙，最終“根際互惠功能體”無法形成。在根際互惠功能體中，根系分泌物發揮著關鍵作用[12]。豆科植物和固氮菌共生是經典的植物?有益菌互惠共生案例，兩者為對方提供生存的營養物質[13]。雖然植物與大部分根際有益菌并非共生關系，但植物可為微生物提供根際定殖或存活的關鍵益生物質，微生物激發植物根系分泌益生物質進一步提升有益菌的生態系統功能[14]，構成了植物與其根際微生物不可分割的“根際互惠功能體”（圖1）。因此，根際互惠功能體的核心是有益菌與植物根系分泌物匹配。

當前在根際有益菌挖掘與應用領域，國內外學者篩選了大量有益菌資源，解析了其促生、抗逆和抗病等作用機制，開發了一系列微生物肥料產品。為了提升產品穩定性，當前普遍采用的高密度發酵、配伍營養載體等方式，在一定程度上提高了產品中有益菌的數量和活性，但忽略了有益菌在根際定殖競爭需要適宜的微生態環境，以及植物互惠功能發揮需要專屬益生物質支持等核心問題，制約了這類符合農業綠色發展需求的生物產品大面積推廣應用。因此，亟需構建靶向增強植物?有益菌互惠互利的微生物肥料產品，創新以消減土壤障礙為核心的健康土壤培育技術途徑，助力農業綠色發展，保障農產品穩定供給。

2微生物肥料研發與應用關鍵環節的思考

2.1根際核心有益菌的通量精準挖掘

根際核心有益菌是指在微生物群落中穩定存在、高度連接、對群落結構和功能極為重要的微生物類群[15]，它們與植物形成根際互惠功能體，具有抑制土傳病原菌、增強植物耐逆性和營養吸收效率等有益功能[16]。高效精準篩選根際核心有益菌，建立微生物資源庫，是微生物肥料開發與利用的基礎。當前，核心有益菌的篩選鑒定主要依賴高通量測序及微孔板、溫室盆栽等試驗手段相結合的方法[17]。然而，該方法主要受效率較低、可檢測的微生物數量有限等難題的制約。快速精準挖掘核心有益菌是當前的重大技術需求。研究發現，基因組水平的代謝網絡構建基因組尺度代謝模型（genome-scalemetabolicmodel，GEMs）可建立功能基因—代謝通路—代謝物質之間的網絡關系，進而定量表征物種的代謝特征、預測物種之間的互作模式[18]，在根際核心有益菌的通量精準挖掘上具有重要前景。未來可結合GEMs[18]、拉曼光譜的細胞分選[19]、熒光活化細胞分選[20]、穩定同位素探針[21]、生物傳感器[22]、微孔板單細胞測序[23]等技術耦合人工智能[24]，精準高效挖掘根際核心微生物。

2.2有益菌與其“益生元”的智能匹配設計

有機肥、育苗基質或生物炭等載體可為有益菌提供相對適宜的初始生存場所，并且可以為有益菌提供一些“糧草”，為有益菌適應土壤復雜環境和定殖存活以及功能發揮提供重要保障[25?27]。但這些載體構成復雜，其中所含碳源“糧草”多是微生物短期內不能分解利用的，難以支撐有益菌在早期的根際復雜環境中定殖以及有益功能的發揮。在這種情況下，如果為有益菌提供的特定營養資源，尤其是具有增強有益菌根際定殖以及與植物有互惠潛力的益生營養物質—“益生元”，有益菌的作用便能發揮出來[28]。“益生元”是一類可選擇性地增強特定有益菌生長以及功能代謝物產生的物質，具有調節宿主微生物群落結構或有益功能的特性；當土壤障礙因子是病原菌時，還要求“益生元”對病原菌的生長不具有促進作用[29]。目前醫學上已針對不同有益菌篩選出與其匹配的“益生元”，并將有益菌與“益生元”復合制備成“合生元”制劑，增強宿主免疫[30]。近期研究發現，番茄根系分泌的核黃素和3-羥基黃酮類化合物可以定向招募放線菌等有益菌，提高番茄植株的抗病性[31]。土壤中施用核糖、乳酸、木糖和甘露糖等混合代謝物可通過激發土壤中的微生物，保護番茄和其他茄科作物免受病原體的侵襲[32]。這些工作的啟示是可以通過挖掘定向提升有益菌生長和功能的關鍵根系分泌物?根際“益生元”，將有益菌與“益生元”匹配，有利于植物?有益菌形成穩定高效的互惠關系以消減土壤障礙。然而土壤環境中根系分泌物種類多樣，微生物群落組成復雜，有益菌對不同根系分泌物的響應不同[33]，建立有益菌與其“益生元”智能匹配的高通量篩選技術和體系至關重要。因此，亟需搭建消減土壤生物障礙的根際“合生元”高效篩選系統[34]。

2.3消減復合障礙的高效菌群構建

近年來，運用合成菌群消減單一土壤障礙得到了廣泛認可[35?39]，并已在微生物肥料產品中得到應用[40?41]。土壤酸化、貧瘠、鹽堿等非生物障礙與土傳病原微生物引發的土壤生物障礙常在農田生態系統中并發，交互形成土壤復合障礙[42]。例如，高鹽或干旱土壤可能會阻礙植物根系的生長發育，損害植物的免疫系統，從而增加植物對土傳病原菌的易感性[43]。單一功能的合成菌群往往難以同時滿足多種功能需求，且在多重土壤復合障礙下耐受力弱，存活率低[41]。因此，通過構建多功能合成菌群來消減土壤復合障礙顯得尤為重要[44]。除了構建包含不同物種的合成菌群，還可以考慮開發具備多種功能的單一物種工程菌群，以降低菌群內部的競爭和多物種的發酵差異。通過基因工程技術改造構建合成菌群，如利用轉座子隨機突變構建有益菌突變體庫，再通過高通量篩選及功能鑒定，可以構建具備多功能的合成菌群[45?46]。近期研究發現，由轉座子突變導致的細菌某一特性的提高往往使得其他特性降低，而使用構建工程菌群這一手段可以克服這種在單個基因型水平上表現出的特性權衡，因此，利用轉座子隨機突變可構建不同特性增強的芽孢桿菌突變體庫，進而獲得具備土傳病害防控、定殖能力強等多功能的合成菌群[2]。基因組尺度的代謝網絡模型（GEMs）不僅能預測菌株的最佳組合，還能預測微生物代謝相互作用，基于該方法可以從自然微生物群落中構建具有增強生物修復能力的合成微生物菌群[47]。此外，還可以考慮開發具有作物親和性和地域適應性的多功能合成菌群[48?49]。尤其在人工智能時代，通過機器學習將菌株不同條件下的特性與群落功能關聯，可以快速設計出適合不同區域土壤?植物系統的合成菌群，以消減土壤復合障礙。

2.4有益菌?秸稈生物高值高密度發酵

秸稈是由多種成分組成的復雜有機體，可以作為底物資源實現有益菌的高值化發酵，以獲得高密度有益菌和高濃度功能性物質。例如，秸稈中木質纖維素占比最多且難以快速分解，在秸稈降解菌的作用下被水解為單糖或低聚糖，為有益菌的生長擴繁和高密度發酵提供充足的能源支撐，可在一定程度上解決菌劑生產成本高等問題[50]。在有益菌次級代謝作用下，這些單糖或低聚糖被進一步利用，合成如抗生素、生長素、鐵載體等抵御病原菌入侵、促進植物生長和養分吸收的微生物源的多功能性物質[51]。不僅如此，一些秸稈如中草藥中富含具有生物活性的植物天然產物，經過微生物的酶解作用，其有效含量和生物活性將得到大幅度提高[52]。基于有益菌?秸稈生物發酵獲得的功能性物質在維持土壤和宿主健康方面具有廣闊的應用前景。研究發現，有益菌芽孢桿菌具有降解和利用秸稈的能力[53?54]，但其利用秸稈作為功能性物質發酵底物的研究尚處于空白。除此之外，有益菌與秸稈之間的匹配也是生物高值發酵目前面臨的瓶頸問題，不同秸稈在養分組成上存在的高度異質性限制了微生物對底物的有效攝取和轉化[55?56]。在未來的研究中，應當充分考慮不同復雜性底物條件下有益菌的發酵效果，深入挖掘特定有機成分對有益菌的調控機制，以及如何通過外源添加的方式引導有益菌響應發酵環境，從而更好地服務秸稈的高值化發酵和農業生產。

2.5土體提質?根際增效應用策略

針對我國農田復種指數高、化學農用品投入大、土壤生物與非生物復合障礙交互發生等問題，我們提出建立以土體提質為基礎，根際靶向調控的健康土壤培育技術體系。土體提質是基礎，其核心是消減土壤非生物障礙，為植物生長和微生物營造良好的環境，緩解水土流失嚴重、耕層變淺和土壤酸化等問題。如針對有機質含量低的貧瘠土壤，增加有機類肥料施用比例，提升土壤有機質；針對酸性或鹽堿土壤，施用土壤改良劑、調理劑，改善土壤理化性質。但有時土體土壤大環境難以在短期內改善，因此需配合根際增效實現土壤產能的提升。在理論上，根際增效可通過施用與植物?土壤系統匹配的有益菌，構建合成菌群、篩選與其匹配的“益生元”等途徑實現，進而探究根際“合生元”定向增強根際互惠功能體的機制，建立根際互惠功能體靶向提升的理論體系。在技術上，優化有益菌?秸稈生物高值發酵工藝，設計消減復合土壤障礙的合成菌群，研發含有復合有益菌群的有機類肥料產品，配施提升有益菌群定殖和功能發揮的“益生元”，以增強根際有益菌與植物互惠功能，促進根際養分周轉和病原菌抑制，最終實現養分高效利用、作物高產高效和健康。此外，在土壤基礎生態環境優化的情況下，還可結合多樣化種植（如間套作），進行根際微生態調控。

3總結與展望

綜上所述，在當前多目標協同農業綠色發展的國家重大需求背景下，盡管已經有大量研究和實踐利用新技術建立了穩定的合成菌群[5，57]，也探明了部分有益菌與植物的互惠關系[31，58]。然而，我國土壤?植物系統復雜，需要針對不同區域的土壤養分貧瘠、土傳病原菌脅迫、土壤重金屬污染、土壤酸化改良和鹽堿地治理等問題進行系統研究。在多學科交叉和多技術融合的時代背景下，結合土壤學、植物營養學、微生物學、生態學、合成生物學、生物信息學等學科，融合大數據分析、人工智能預測等技術，亟需解析區域場景下建立的根際互惠功能體，挖掘有益菌和“益生元”，設計與系統匹配的“合生元”配方。在施用微生物肥料產品時，還應考慮外源有益微生物與土著微生物群落的互作，即從微生物入侵（microbialinvasion）[59]和微生物融合（microbialcoalescence）[60]的角度思考微生物接種體對土壤?植物系統的生態效應及風險，建立控制外源有益生物引入可能帶來的生態安全問題技術框架。