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农作物微生物组为可持续农业提供解决方案

作者:35斗的朋友们 2021-02-23 21:09

来源 | 国科农研院(ID:GLOCON-AGRI-INST)


农作物微生物组和可持续农业

译者:Crab

来源:Nature Reviews Microbiology,volume 18, p601–602(2020)


我们当前迫切需要对农作物微生物组的群落结构和功能进行全球范围内的评估,以开发有效且经合理设计的可持续农业微生物组技术。这种努力将提供新知识以使我们了解植物与其微生物组群落之间关键的生态和进化作用,这些相互作用将有助于提高农业生产力。


到2050年,全球对粮食的需求预计需要增加70%,以养活不断增长的人口。然而,面对持续的土地退化、土壤肥力下降、气候变化和极端天气事件增加,目前的农业耕作方式很难满足这一要求。此外,经济(例如,生产成本高或利润率低)、社会(例如,消费者对无化学品残留食品的期望)、环境(例如,尽量减少对水和空气污染)和政策(例如,欧盟的绿色协议)对可同时促进农作物生产力和环境可持续性的创新方法的要求日益增加。因此,多个政府间组织(例如,世界粮农组织)和学术协会(美国国家科学院)建议开发创新的天然产品,以补充传统耕作做法,从而确保可持续地提供粮食和纤维。


利用与农作物有关的微生物(农作物微生物组),被认为是实现粮食安全这一整体挑战的最有希望且长期的解决方案之一,同时还有助于构建一个健康的生态环境。这些微生物负责供应资源、保证植物健康并提供对生物或非生物因素的抗性。全球对农作物微生物组功能潜力的认可,促使公共和私人对微生物产品进行了大量投资,用于补充传统耕作并提高农业生产力。因此,农业微生物产品是当前全球增长最快的行业之一,以每年17%的速度增长,到2026年预计市场价值将达到120亿美元。相反,由于新的监管要求和消费者对低化学残留量食品的需求,预计对化学产品的需求(目前是2500亿美元),特别是农药的使用量将下降。例如,欧盟设定了到2030年用生物学方案取代50%的化学农药使用量的目标。


农作物微生物组


虽然土壤和植物微生物组群落在作物表现和产量方面都起着重要作用,但我们认为,与利用散装土壤(未附着在作物根系上的土壤)相比,利用植物微生物组开发的工具成功的可能性更大,这些工具包括内生菌(生活在植物组织内的微生物)和根际(与作物根相关的土壤)微生物组群落。植物与其微生物组群落之间生态进化的相互作用促使了利用植物微生物组成功的机会。其中包括由微生物组群落代谢物与根在根际中渗出的化学多样性所驱动的选择压力以及随后由植物免疫系统在根际引起的过滤效应,这最终导致只有少数微生物组群落可以富集。此外,植物与其微生物组群落之间的密切物理联系对植物的表现能产生较大影响,并可被利用为改良植物的工具(例如,种子拌肥或组织培养),该联系还可能支持改良基于农作物微生物组的方法。农作物核心微生物组群落的新科学知识可以被用来从植物微生物组群落、生物活性代谢物以及微生物和代谢物的组合中开发有效工具以提高农作物的产量,这些新知识指的是了解在所有环境条件下与特定作物一致关联的植物微生物组群落子集,以及了解具有与宿主共同进化的功能。然而,要充分发挥农作物微生物组在提高产量和轮作方面的潜力,就需要更好地了解农作物微生物组的群落结构和功能,以及它们与全球宿主物种和土壤类型的相互作用,该做法与人类微生物组项目十分类似。


当前挑战


微生物接种剂的使用已被证实可以解决一些农业上的挑战,然而,因为在不同环境条件下的功效不一,所以大规模的应用率仍然很低。这种不一致是由科学和技术问题导致的,包括微生物难以生存和/或缺乏表型、与土壤本源微生物组群落的竞争、缺乏相互的植物-微生物识别以及由植物驱动的筛选。微生物组技术在农业系统中的成功应用需要解决这些基本的知识差距。我们需要进一步了解农作物及其核心微生物组群落的关键成员和功能;控制农作物微生物组组配、活力和稳定性的生态进化过程(例如,通过驯化过程);影响不同环境条件下农作物产量的植物-微生物组群落相互作用网络和通信途径;微生物组群落对宿主基因型、表型和健康的影响从而最终控制农作物的产量。同样,目前的技术差距限制了产品的转化,包括缺乏有效的产品和可用的技术,促使引入的微生物组群落有效繁殖定居,以及有效的工具来确保本源微生物组群落可以吸引和维护益生菌群的活动。此外,一些监管(注册和安全要求)和社会(例如,公众的看法和接受)风险仍然是一些限制因素,需要通过主动的管理以确保未来的商业化和应用成功。


解决方案


微生物产品有望极大地促进农场生产力的提升、抵御全球变化的能力、盈利能力和可持续性,同时大幅减少化学产品的投入。然而,实现这一期望首先需要采取不同种类和互补的方法以提供创新的解决方案和工具,包括开发和实施以核心农作物的核心微生物组群落为目标的基于微生物组群落的产品和工具,确保产品与宿主及其微生物组群落可以兼容;通过使用生化(例如,吸引益生菌的信号分子)、遗传(例如,植物育种、通过基因编辑利用基因组特性吸引益生菌)和微生物(刺激其他益生菌活动的微生物)工具;以及采用基于跨学科的系统方法,确保微生物工具在传统农业中的应用。在利用这些科学和技术的同时,我们应制定相应的政策以确保全球经济可以公平竞争(例如名古屋议定书)、为农民提供培训和资源。此外,政策、公共和商业化风险可以通过有效的沟通进行管理,并应该侧重于长期愿景,而不是短期结果。在这方面,全球协调一致的科学和政策方针至关重要。虽然研究并提供全球农作物微生物组(农作物微生物组和可持续农业全球倡议)基准数据的新努力正在进行中,但为了推进我们对全球农作物微生物组群落结构和功能背后生态进化驱动因素的了解,并协调国际政策(国际生物经济论坛),这些倡议要么需要大幅度扩大,要么需要制定更多类似的倡议以提供有效的解决办法。如果这些问题得到系统解决,新的农作物微生物组工具将在提高农场生产力和盈利能力,微生物行业的增长和环境的可持续性上带来跨越式的改变。 


注:本文转载自国科农研院(ID:GLOCON-AGRI-INST),授权请联系出处。

注:文中如果涉及35斗记者采访的数据,均由受访者提供并确认。

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