農業微生物將迎大突破

　　“現在俺愁的不是銷量，愁的是產量供不上。”河南省新蔡縣牛灣村益生菌水稻種植基地負責人彭東文樂呵呵地說，“俺的生態稻，在4月份開始種秧時就全部預售完了。”

　　前不久，河南省新蔡縣牛灣村益生菌水稻種植基地的“豐收季”如期舉辦。得益于益生菌技術的使用，這種水稻在生長周期內，病害、蟲害率極大降低，不但減少了化肥農藥用量，而且生產的大米顆粒飽滿、色澤透亮、口感軟糯、米香悠久。

　　牛灣村第一書記謝云介紹說，這是河南省首個把益生菌用到水稻種植方面的農業技術項目，隨著技術的推廣和試種帶來的收益，越來越多村民想試一試這種技術，“明年種植面積將進一步擴大”。

　　微生物組學技術已經悄然在農業增產增效的“戰場”上凸顯力量。

　　被忽視的力量

　　“微生物組作為宿主的第二套基因組（第一套指宿主自身的基因組），長期以來處于相對被忽略的狀態。”中國農業大學生物學院植物生理學與生物化學國家重點實驗室教授徐凌對《中國科學報》說。

　　在農業領域，全球科學家投入了大量的人力物力，去研究農作物的功能基因，用以改良植物性狀，推動農業可持續發展、保障糧食安全，目前已取得了顯著的成效。

　　一方面作物基因改良存在育種周期比較長等問題。另一方面，現在越來越多的研究發現，植物微生物組可以提高植物抗旱、抗病等重要抗逆性狀，促進氮磷等營養物質的吸收利用效率，廣泛參與調控植株生長發育及雜種優勢等多個生物學過程，并影響最終作物產量和品質。

　　“因此，接下來針對‘作物—微生物組’作用機理的研究，必將大大加速傳統育種與微生物群落育種相結合進行的農作物性狀改良，以及農業微生物技術產品（如生物種衣劑、微生物農藥、微生物肥力等）的開發應用。”徐凌說，“這會推進高產優質、綠色高效現代農業的發展，符合國際農業生物技術的發展趨勢，也是提升我國農業科技核心競爭力、保障國家糧食安全、提高農業綜合效益的重要技術支撐。”

　　中國農業科學院農業微生物資源團隊首席科學家魏海雷認為，農業微生物種質資源種類豐富，涵蓋了細菌、真菌、病毒等重要類群，主要應用于肥料、食藥用、飼料、植保、農業環境等方面。微生物在探索高效、安全、資源節約、環境友好的現代農業發展之路上發揮著重要作用。

　　“特別是在綠色發展大背景下，農業微生物的應用極為迫切。”魏海雷說，“比如，解決‘藏糧于地’就需要微生物的參與，固氮微生物等微生物肥料可以增加土壤中的氮素來源，解磷、解鉀微生物可以分解土壤中難溶的磷、鉀，將其轉變為作物能吸收利用的磷、鉀化合物。”

　　此外，以微生物技術為紐帶，通過農業廢棄物的肥料化、沼氣化、食用菌化和飼料化，把種植業、養殖業和居民生活緊密連接起來，可以減少環境污染、改善農村生態環境、發展農業循環經濟，促進農業可持續發展。

　　微生物組學的“好時代”

　　微生物組是指一個特定環境或生態系統中，全部微生物及其遺傳信息的集合，其中蘊藏著極為豐富的微生物資源。

　　“全面系統地解析微生物組的結構和功能，將為解決人類面臨的能源、生態環境、工農業生產和人體健康等重大問題帶來新思路。”中國科學院南京土壤所研究員、中國科學院大學教授褚海燕對《中國科學報》說，“然而，微生物組學研究在很大程度上取決于其技術與方法的發展。”

　　在高通量測序技術出現以前，微生物研究主要基于分離培養和指紋圖譜等技術，然而，由于這些技術存在不足，人們對于微生物的認識十分有限。本世紀初，微生物組學技術的興起，讓直接在DNA水平對環境整體微生物群落進行分析成為可能，開創了微生物分子生態學研究的新時代。而高通量測序和質譜等技術的突破，使人們可以從DNA、RNA、蛋白質和代謝物等不同水平解析微生物組，以獲得更為全面的微生物組信息。

　　“目前微生物組學研究正處于從數量到質量、從結構到功能的關鍵轉變時期。”褚海燕解釋說，“微生物與其所處環境共同構成了復雜的微生物組，在支撐生態系統過程和功能中，發揮著不可替代的作用。為充分發揮微生物組在各前沿領域的關鍵作用，迫切需要深入理解微生物組的結構和功能。”

　　目前的組學技術仍存在一定局限性，建立在宏觀生態學基礎上的理論和模型是否適用于微生物領域，針對個體層面的微生物研究是否適用微生物組等問題目前還沒有明確的結論，仍需要更多的微生物組學數據支撐。

　　“微生物跟動植物等大型生物不同，單個微生物的作用微不足道。而且環境中的微生物數量巨大，每克土壤里，就可能有成千上萬種微生物，組學技術可將其作為一個整體研究，同時測定成千上萬微生物的群落組成、功能和相互關系。”褚海燕說，“因此，微生物組學研究要和大數據、人工智能等技術結合起來，深入理解微生物的組成、多樣性與時空分布，深入挖掘微生物的功能與調控機制。現在大數據、人工智能等技術的進步，讓微生物組學研究進入了‘最好時代’。”

　　用好“后發優勢”

　　“目前，世界范圍內針對植物的微生物組學研究尚處于起步階段，且多側重于模式植物的理論研究，利用農作物進行大田應用試驗的例子還比較少，對于‘作物—微生物組’在農業生產環境下的互作機理知之甚少。”徐凌說，“在此背景下，我國農業微生物組學的研究正逐步體現出后發優勢。”

　　目前，我國農業微生物組學技術體系逐步完善，有一批年輕且富有創造力的人才，但“在前沿理論研究方面總體上處于跟跑狀態，多偏重于技術應用”，在基礎研究、原創成果、頂尖人才、技術生態、基礎平臺、標準規范等方面，“距世界領先水平還存在明顯差距”。

　　“因此，在建設科技強國目標和農業科技自主創新戰略的指引下，需繼續加大農業微生物組理論研究的投入，致力于突破一批關鍵技術瓶頸（如微生物組基因編輯技術、人工微生物群落合成技術等），獲得有自主知識產權的技術體系。”徐凌說，“同時要防范盲目跟跑國際熱點，應面向我國農業生產的特定環境和實際需求，以主要農業動植物、農業微生物和農業生態為綜合研究對象，從農業水土環境、作物種質、生物農藥肥料等領域充分發掘農業微生物的應用潛力，助力實現我國資源節約型、環境友好型現代農業發展。”

　　褚海燕認為，我們不僅要研究微生物群落分布，還要研究微生物組和作物產量、品質、生物固氮等功能之間的關系。通過生物信息分析、海量數據分析，識別關鍵微生物，然后分離培養，通過微生物間的網絡關系篩選核心物種，構建最簡“微生物組”，最后通過菌群移植或合成菌群制劑來改良“非健康的土壤”，從而保證作物優質高產。

　　“農業微生物研究不僅涉及土壤微生物，還應關注農作物自身的微生物組。”褚海燕說，“農業微生物研究將在解決糧食安全、環境保護、全球變化以及人類健康等方面起著更加重要的作用。”