Cell | 王二涛团队应邀撰写微生物组助力绿色农业的综述展望

2025年3月20日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛团队在Cell期刊发表了题为Exploring the plant microbiome: A pathway to climate-smart crops的长篇前瞻性综述展望(Perspective)，提出了“共生基因组育种” (hologenome breeding) 的概念框架，即通过精准调控植物微生物群落，培育“气候智能型作物”(climate-smart crops)，在提高作物产量的同时，减少对环境的负面影响，从而推动农业可持续发展。

绿色革命的启示与挑战

20世纪60年代的绿色革命通过半矮秆作物品种和化肥的使用显著提高了粮食产量，满足了全球人口增长的需求。然而，化肥和农药的过度使用也带来了环境污染和温室气体排放等不利后果。据统计，农业贡献了全球温室气体排放总量的20%-25%，其中仅合成氮肥的生产和使用就占据5%。同时，氮肥的过度使用还导致氨挥发和硝酸盐淋溶，进一步加剧了环境问题。因此，如何在提高作物产量的同时减少环境和生态成本，成为当前农业研究的核心挑战。

植物-微生物互作：可持续农业的新机遇

植物与其相关的微生物共同构成了共生功能体(holobiont)，这一复杂系统不仅在促进宿主生长、增强胁迫抗性方面发挥关键作用，还深刻影响着养分循环、污染物转化及土壤碳固存等生态过程。然而，现代作物育种过程中往往忽视了植物与微生物共同进化形成的遗传性状，导致驯化作物与微生物的互惠关系减少，从而削弱了植物-微生物共生带来的益处。为此，文章提出通过调控植物微生物组，特别是根际微生物组，不仅可以提高作物的环境适应性以增加产量，还能减少环境污染，并增加土壤碳固存以缓解气候变化。

范式革新：从单一育种到共生基因组设计

文章提出的共生基因组育种框架，首次将植物-微生物互作介导的生态功能纳入育种体系。该框架通过整合植物基因型、根系分泌物和根际微生物组间的关联模型，实现植物-微生物互作过程的精细调控，以优化养分循环、增强作物抗性并加速土壤碳固存。文章提出了两种具体的共生基因组育种策略：一是通过植物育种调控根系分泌物，从而改变根际微生物组功能；二是设计合成微生物群落(synthetic community)或通过基因改造优化微生物功能，实现跨界信号传导，以定向调控共生功能体。针对环境异质性对植物-微生物互作过程的影响，文章提出农业精准微生物组工程策略，通过揭示特定环境下的植物-微生物互作机制，实现作物品种与微生物组的精准匹配。文章还强调，将农业管理措施与精准微生物组工程相结合，可通过调控土壤理化性质和生物学特性，优化植物-微生物互作，从而实现农艺和生态效益的协同提升。

未来展望：从实验室到田间

尽管植物-微生物互作研究已取得显著进展，但其田间应用仍面临挑战。由于根际微生物组对环境异质性高度敏感，微生物接种剂的实际效果存在不确定性。为此，文章强调了农业精准微生物组工程的重要性，并建议整合人工智能(AI)算法和高通量表型技术，实现对植物-微生物互作时空动态的精准预测和智能调控。文章指出，将微生物介导的生态功能视为新型植物性状，并将其整合到共生基因组育种体系中，有望为应对粮食危机、环境污染和气候变化等全球性挑战提供植物解决方案。

整合分子生物学技术与农业管理措施以系统强化农业生态系统的多重功能

中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究组长期致力于植物-微生物共生的机理和应用研究，1)颠覆菌根“糖”营养的传统理论，建立以脂肪酸为核心的营养交换和调控的新理论(Cell, 2021; Science, 2017; Nature Commun, 2023; Molecular Plant, 2017/2018/2019等)；2)发现菌根因子受体和信号转导新机制，开辟植物识别“敌友”微生物的交叉新领域(Cell, 2025; Nature, 2024; PNAS, 2021等)；3)揭示豆科植物结瘤固氮的新机制并应用于农业生产(Nature, 2021; Nature Commun, 2016/2022/2024; Plant Cell, 2022; Current Biology, 2021等)。研究成果入选2017和2021年中国农业科学重大进展，2021年Cell Press中国区最优论文，多项成果成为领域奠基性工作。

中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士后葛安辉为该论文第一作者，王二涛研究员为通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、中国科学院以及新基石研究员项目的资助。

论文链接：

https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00104-7