中国科学院分子植物卓越中心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期刊发表题为“Exploring the plant microbiome: A pathway to climate-smart crops”的长篇前瞻性综述展望(Perspective)。文章提出了“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。

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。

图1 当前面临的挑战与潜在农业生态系统解决方案

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。文章详细阐述了通过共生基因组培育气候智能型作物的实施路线：一方面，通过植物育种调控根系分泌物，进而改变根际微生物组的功能；另一方面，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。这些策略旨在优化养分循环、提高植物抗性并加速土壤碳固存。此外，文章还探讨了研究植物-微生物互作分子机制所面临的挑战，包括其对特定表型贡献的不确定性，以及在农业应用中的潜在局限性。文章强调将农业管理措施与精准微生物组工程相结合，从而实现不同环境背景下植物-微生物相互作用的有效调控。将微生物介导的生态功能整合为新型植物性状，培育气候智能型作物，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。

图2 解析和改造根际生态过程宿主遗传调控途径的方法

图3 操纵植物与微生物相互作用中功能性状的工程策略

图4 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。

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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)

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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)

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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。

王二涛研究员（左）与博士后葛安辉合影

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和国家重点研发计划等项目的资助。