《Current Opinion in Biotechnology》：Plant microbiome regulation for sustainable agriculture
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植物微生物组调控通过外部条件（环境、宿主基因、农业实践）和内部基因工程（CRISPR、合成群落、原位编辑）实现，优化作物抗逆、养分吸收与产量，减少化学投入。
Jingying Zhang | Weidong Liu | Binglei Wang | Qianhang Zhai | Yang Bai
国家基因功能与调控重点实验室，北京-清华生命科学中心，北京-清华-NIBS研究生项目，北京大学生命科学学院新基石科学实验室，中国北京100871
与植物相关的微生物组对可持续农业至关重要，它们能够增强作物的养分吸收、抗逆性以及产量，同时减少对农业化学物质的依赖。微生物调控，即对这些微生物组的定向操作，将微生物的生态潜力与农业应用联系起来。目前，这种调控方式根据是否修改微生物基因组分为两类核心策略：外部调节和内部工程。外部调节是一种不改变基因组的方法，通过环境信号、宿主特性和农艺措施来重塑微生物群落，从而实现快速、低成本的微生物组功能调整。相比之下，内部工程则利用基于CRISPR的工具、合成微生物群落以及原位编辑技术来改变微生物基因组，以锁定稳定的有益特性，确保在田间的一致表现。新兴技术如基于AI的预测模型和先进的递送系统通过提高微生物调控的精确度和可扩展性来支持这两种策略。最终，微生物调控优化了植物与微生物之间的相互作用，加速了可持续农业解决方案的发展，增强了气候适应性和全球粮食安全。
引言
植物与多样化的微生物组紧密共生，这些微生物组扩展了植物的基因组潜力。以细菌和真菌为主的微生物群落定殖在植物的生态位中，有助于养分吸收、增强对生物和非生物胁迫的抵抗力，并调节植物生长1, 2。有益的微生物分离株，如Pseudomonas fluorescens、Bacillus subtilis、Trichoderma harzianum以及丛枝菌根真菌（AMF），以及多物种细菌合成群落，在控制试验中表现出改善养分吸收或抑制病害的效果，目前正被用于主要作物的田间测试或商业化3, 4, 5, 6, 7。然而，这些接种剂的效果在不同土壤、气候和品种间存在很大差异，这促使研究人员开发更可靠的微生物组工程策略，以稳定地操纵与植物相关的微生物群落，确保对可持续农业的显著益处[8]。
当代的微生物组操控研究主要集中在两个核心方向：外部生态调节（在不改变基因组的情况下重塑微生物群落）和内部基因组工程（重写或增强微生物DNA以实现有益功能）。外部调节利用微生物群落组成与环境、宿主或农业变量之间的相关性。环境因素（例如温度、湿度、土壤pH值）可以选择性地富集或减少特定微生物类群9, 11；例如，干旱和热胁迫会富集玉米根际中的Solirubrobacter、Massilia和Agrobacterium [12]。宿主基因组也会影响微生物群落：FERONIA突变会富集Arabidopsis中的Pseudomonas fluorescens；携带C2基因的玉米通过分泌黄酮类物质增加Oxalobacteraceae的数量13, 14。植物来源或外源化合物，包括strigolactone类似物rac-GR24和豆科植物黄酮类物质，可作为信号分子促进微生物定殖15, 16。农业实践（如耕作、秸秆保留、施肥）也会驱动微生物群落的变化——例如，不耕作和保留秸秆可以显著增加土壤有机碳含量和细菌多样性[17]，而过量施用氮肥则通过影响pH值改变氨氧化菌的数量[18]。这些无需DNA的调控手段能够实现快速、可逆且低调控负担的微生物组优化，成为可持续作物管理的有效工具。内部工程则针对基因组层面进行操作。首先，通过体外编辑（如CRISPR-Cas系统、碱基编辑器）来增强有益特性，并将其作为可预测的接种剂使用。例如，经过工程改造的Klebsiella variicola通过去除负调控基因增强了固氮能力，支持玉米在田间的生长[19]。其次，合成微生物群落（SynComs）以可控的比例结合编辑过的菌株和野生型菌株，以实现稳定的表现。敲除Trichoderma guizhouense中的（一种杆菌素生物合成基因）可以降低其对Bacillus velezensis的拮抗作用，其SynCom能够改善Fusarium枯萎病的控制[20]。第三，原位编辑将CRISPR核糖核蛋白（RNPs）或 conjugative plasmids直接导入原生微生物群落，实现目标细胞的现场修饰[21]。通过直接修改微生物DNA，这些方法将有益特性锁定在基因组中，确保工程功能的持久性和适应性。
本综述总结了目前用于操控植物微生物组的策略。我们首先描述了如何通过调整外部因素（包括气候、土壤性质、宿主基因型、信号分子和管理措施）来重塑微生物群落而不改变DNA。接着回顾了内部工程方法，包括基于CRISPR的菌株改良、合成微生物群落和原位基因组编辑，并评估了它们的设计标准、递送选项和前景。最后，我们指出了未来的研究重点，并提出了将这些工具转化为可持续农业可靠、可扩展解决方案的路线图。
外部调节
外部调节是一种无需DNA的微生物群落工程方法，通过调整环境、宿主或管理变量来重塑微生物群落，而不是改变微生物基因组。这种方法具有可逆性和快速性，能够实时精细调节微生物群落的功能（图1a）。
微生物组结构的环境驱动因素
环境因素设定了最初的选择性筛选标准。地上因素（光照、光周期、温度和湿度）和地下因素（土壤湿度、pH值、盐度、养分）共同决定了哪些微生物类群能够定殖植物，因为每种微生物都必须克服环境中的物理化学限制才能在植物体内生存。尽管环境变化会导致微生物群落结构的无方向性改变，但某些细菌类群仍表现出明显的模式。
宿主介导的微生物组调控
宿主基因和根系分泌物提供了第二个可调的调控手段。植物基因组作为内置的调节器，精细调节碳分配和防御代谢，以促进那些预期能带来最大适应性回报的微生物类群的生长。植物基因在塑造微生物群落结构中的调控作用已得到充分证实。例如，indica水稻品种中的硝酸盐转运蛋白和传感器NRT1.1B促进了特定微生物类群的招募
农业管理实践
农业管理可以在不改变微生物基因的情况下重新塑造土壤环境。耕作土地像一个物理“混合器”，重新分配氧气、水分和碳，立即改变微生物群落的组成。例如，深度耕作（20–22厘米）显著增加了土壤中Bacteroidota的数量[39]，而无耕作实践则增加了细菌多样性和酸杆菌的数量[40]。Bacillus属细菌通过黄酮类化合物taxifolin被招募到植物根际
内部工程
内部工程直接针对基因组，利用基因编辑平台在单个分离株或整个微生物群落中添加、删除或转移编码序列。与外部调节不同，内部工程产生的有益特性基本上不受土壤类型或天气的影响，具有精确性、稳定性，并且可以在单一遗传背景下叠加多种有益功能（图1b）。
有益菌株的体外
编辑
CRISPR-Cas系统或碱基编辑器被应用于纯培养物中，以插入、删除或优化与植物有益表型相关的基因位点。体外编辑通常针对“调控枢纽”来放大有益特性。通过破坏phlF基因（该基因负调控2,4-Diacetylphloroglucinol的合成），Pseudomonas fluorescens
合成微生物群落的设计
将多个经过编辑或互补的有益菌株合理组合成按比例定义的混合物，可以抵御环境变化和功能不稳定。早期的微生物应用依赖于单一的有益菌株（如Bacillus或Pseudomonas），而最近的设计则优先考虑具有功能增强和互补性的合成微生物群落[56]。例如，一个由四种菌株组成的联合体结合了生物固氮菌株（Klebsiella variicola和Citrobacter属）和两种
原位
编辑
与引入预先编辑的菌株不同，原位策略将CRISPR RNPs、conjugative plasmids或噬菌体颗粒直接导入原生微生物群落，使目标细胞能够在原位进行基因组编辑。开发了一种基于噬菌体的递送系统，能够在混合细菌群落中实现超过50%的编辑效率[61]，为原位基因组操作提供了强大的工具
未来展望
微生物组工程对可持续农业至关重要，因为它利用微生物来改善作物健康和产量，同时减少化学投入[64]。其潜力取决于缩小实验室结果与田间表现之间的差距。在田间，由于代谢负担、水平基因转移或与本地微生物的竞争，工程改造的特性往往在一个生长季节内就会减弱，而目前的监测方法无法实时检测到这些损失[65]。
作者贡献
Y.B.和J.Z.构思了这项研究并撰写了手稿；W.L.和Q.Z.进行了文献回顾；B.W.整理了数据。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：32430003（Y.B.）和32322002（J. Zhang））；国家重点研发计划（资助编号：2022YFF1001800（Y.B.）和2023YFF1000300（J. Zhang）；中国科学院的战略优先研究计划（资助编号：XDA28030202（J. Zhang）和XDA0450000（J. Zhang）以及XDA24020000（Y.B.）；CAS-MPG联合研究项目（资助编号：HZXM20225001MI（Y.B.））；CAS项目的支持
