浙江大學構建葉際微生物組精準設計策略

葉際是地球上最大的生物表面，也為功能微生物提供了廣闊的棲息地。高效挖掘和發現抵御植物病害的葉際微生物組，不僅為植物抗病性喪失治理提供潛在方案，也對保障我國糧食安全生產和可持續發展具有重要意義。然而，目前對于葉際微生物群落組裝機制和功能方面的理解仍不充分，這極大限制了抗病葉際微生物組的精準設計及其在農業生產中的高效應用。

2022年12月6日，浙江大學詹成芳、Haruna Matsumoto、劉羽飛及王蒙岑在Nature Food發表題為“Pathways to engineering the phyllosphere microbiome for sustainable crop production”的綜述論文，文章系統探討了影響葉際微生物群落組裝的因子以及葉際微生物群落對植物宿主抗病性的調控機制，并首次構建了整合全息組學、遺傳學操作、高通量培養鑒定和新興人工智能技術的葉際微生物組研究框架與策略，為精準設計抗病葉際微生物組，保障糧食生產可持續發展提供了新途徑。

葉際是一個非常苛刻且不穩定的生境，葉際微生物經常要面臨水分和營養物質的不足，以及劇烈變化的強光、高溫、高紫外線和新出現的大氣擾動（如臭氧、PM2.5、微塑料）等影響。除了應對環境變化，葉際微生物還受到宿主遺傳因素和生長發育時期變化的影響，同時也受到其他微生物或者害蟲等生物因素的影響。近年來也有研究表明葉際微生物還面臨著來自人類世的挑戰。未來對這些因素如何影響葉際微生物群落組裝是開發葉際功能微生物的主要和必要的步驟。在葉際組裝定殖的微生物通過多種途徑調控宿主抗病性。

隨著自然界微生物種間相互作用的普遍發現，除了廣泛的病原菌拮抗生物防治劑被確定外，最近的研究還發現了微生物信號分子（點擊查看最新研究進展：Nature Plants封面文章|Bacterial seed endophyte shapes disease resistance in rice）也能影響植物的抗病性。此外，葉際微生物還可以通過調節宿主代謝、協調植物先天免疫系統、介導植物與植物之間的串擾等方式，進而系統調控植物的抗病性。

結合新興的高通量分離和鑒定技術，利用生物信息學分析獲得關鍵微生物群，當分離的微生物被應用到合成群落的構建中，并在受控系統或特定環境下移植到宿主中，可以更精確地解釋葉際微生物群的功能。利用GWAS和QTLs定位分析能夠預測和識別控制葉際微生物群的寄主遺傳因子。結合基因編輯、快速發展的“全息組學”以及遺傳和生化操作，將使我們對宿主中有益微生物富集相關的遺傳位點以及葉際微生物組影響抗病的調控機制有更全面的了解。基于不同尺度下高通量數據的收集（基因組數據、田間或試驗地數據、具體到某一植株的表型數據和微生物組數據等），通過Deep Learning來實現對植物健康狀態和抗病相關微生物標志物的精準預測和識別，促進智慧農業和糧食可持續生產。

葉際微生物組研究框架與策略（圖源自Nature Food ）

葉際微生物組的精準設計為促進目前依賴于R基因的抗病育種提供了一種強有力的互補技術。為了突破當前的瓶頸，需要進一步在菌株和群體層面同時發掘功能葉際微生物，特別是具有塑造抗病性能力以及對全球變化背景下不利因素具有恢復力的微生物。利用整合全息組學、基因操作和新興人工智能技術的研究策略，可以更有效地挖掘和利用葉際微生物組資源，從而實現更安全的作物生產和智慧農業。

https://www.nature.com/articles/s43016-022-00636-2

https://www.nature.com/articles/s41477-020-00826-5