作者:张双虎 来源:中国科学报 发布时间:2021/11/22 11:53:04
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农业微生物 将迎大突破

 

“现在俺愁的不是销量,愁的是产量供不上。”河南省新蔡县牛湾村益生菌水稻种植基地负责人彭东文乐呵呵地说,“俺的生态稻,在4月份开始种秧时就全部预售完了。”

前不久,河南省新蔡县牛湾村益生菌水稻种植基地的“丰收季”如期举办。得益于益生菌技术的使用,这种水稻在生长周期内,病害、虫害率极大降低,不但减少了化肥农药用量,而且生产的大米颗粒饱满、色泽透亮、口感软糯、米香悠久。

牛湾村第一书记谢云介绍说,这是河南省首个把益生菌用到水稻种植方面的农业技术项目,随着技术的推广和试种带来的收益,越来越多村民想试一试这种技术,“明年种植面积将进一步扩大”。

微生物组学技术已经悄然在农业增产增效的“战场”上凸显力量。

被忽视的力量

“微生物组作为宿主的第二套基因组(第一套指宿主自身的基因组),长期以来处于相对被忽略的状态。”中国农业大学生物学院植物生理学与生物化学国家重点实验室教授徐凌对《中国科学报》说。

在农业领域,全球科学家投入了大量的人力物力,去研究农作物的功能基因,用以改良植物性状,推动农业可持续发展、保障粮食安全,目前已取得了显著的成效。

一方面作物基因改良存在育种周期比较长等问题。另一方面,现在越来越多的研究发现,植物微生物组可以提高植物抗旱、抗病等重要抗逆性状,促进氮磷等营养物质的吸收利用效率,广泛参与调控植株生长发育及杂种优势等多个生物学过程,并影响最终作物产量和品质。

“因此,接下来针对‘作物—微生物组’作用机理的研究,必将大大加速传统育种与微生物群落育种相结合进行的农作物性状改良,以及农业微生物技术产品(如生物种衣剂、微生物农药、微生物肥力等)的开发应用。”徐凌说,“这会推进高产优质、绿色高效现代农业的发展,符合国际农业生物技术的发展趋势,也是提升我国农业科技核心竞争力、保障国家粮食安全、提高农业综合效益的重要技术支撑。”

中国农业科学院农业微生物资源团队首席科学家魏海雷认为,农业微生物种质资源种类丰富,涵盖了细菌、真菌、病毒等重要类群,主要应用于肥料、食药用、饲料、植保、农业环境等方面。微生物在探索高效、安全、资源节约、环境友好的现代农业发展之路上发挥着重要作用。

“特别是在绿色发展大背景下,农业微生物的应用极为迫切。”魏海雷说,“比如,解决‘藏粮于地’就需要微生物的参与,固氮微生物等微生物肥料可以增加土壤中的氮素来源,解磷、解钾微生物可以分解土壤中难溶的磷、钾,将其转变为作物能吸收利用的磷、钾化合物。”

此外,以微生物技术为纽带,通过农业废弃物的肥料化、沼气化、食用菌化和饲料化,把种植业、养殖业和居民生活紧密连接起来,可以减少环境污染、改善农村生态环境、发展农业循环经济,促进农业可持续发展。

微生物组学的“好时代”

微生物组是指一个特定环境或生态系统中,全部微生物及其遗传信息的集合,其中蕴藏着极为丰富的微生物资源。

“全面系统地解析微生物组的结构和功能,将为解决人类面临的能源、生态环境、工农业生产和人体健康等重大问题带来新思路。”中国科学院南京土壤所研究员、中国科学院大学教授褚海燕对《中国科学报》说,“然而,微生物组学研究在很大程度上取决于其技术与方法的发展。”

在高通量测序技术出现以前,微生物研究主要基于分离培养和指纹图谱等技术,然而,由于这些技术存在不足,人们对于微生物的认识十分有限。本世纪初,微生物组学技术的兴起,让直接在DNA水平对环境整体微生物群落进行分析成为可能,开创了微生物分子生态学研究的新时代。而高通量测序和质谱等技术的突破,使人们可以从DNA、RNA、蛋白质和代谢物等不同水平解析微生物组,以获得更为全面的微生物组信息。

“目前微生物组学研究正处于从数量到质量、从结构到功能的关键转变时期。”褚海燕解释说,“微生物与其所处环境共同构成了复杂的微生物组,在支撑生态系统过程和功能中,发挥着不可替代的作用。为充分发挥微生物组在各前沿领域的关键作用,迫切需要深入理解微生物组的结构和功能。”

目前的组学技术仍存在一定局限性,建立在宏观生态学基础上的理论和模型是否适用于微生物领域,针对个体层面的微生物研究是否适用微生物组等问题目前还没有明确的结论,仍需要更多的微生物组学数据支撑。

“微生物跟动植物等大型生物不同,单个微生物的作用微不足道。而且环境中的微生物数量巨大,每克土壤里,就可能有成千上万种微生物,组学技术可将其作为一个整体研究,同时测定成千上万微生物的群落组成、功能和相互关系。”褚海燕说,“因此,微生物组学研究要和大数据、人工智能等技术结合起来,深入理解微生物的组成、多样性与时空分布,深入挖掘微生物的功能与调控机制。现在大数据、人工智能等技术的进步,让微生物组学研究进入了‘最好时代’。”

用好“后发优势”

“目前,世界范围内针对植物的微生物组学研究尚处于起步阶段,且多侧重于模式植物的理论研究,利用农作物进行大田应用试验的例子还比较少,对于‘作物—微生物组’在农业生产环境下的互作机理知之甚少。”徐凌说,“在此背景下,我国农业微生物组学的研究正逐步体现出后发优势。”

目前,我国农业微生物组学技术体系逐步完善,有一批年轻且富有创造力的人才,但“在前沿理论研究方面总体上处于跟跑状态,多偏重于技术应用”,在基础研究、原创成果、顶尖人才、技术生态、基础平台、标准规范等方面,“距世界领先水平还存在明显差距”。

“因此,在建设科技强国目标和农业科技自主创新战略的指引下,需继续加大农业微生物组理论研究的投入,致力于突破一批关键技术瓶颈(如微生物组基因编辑技术、人工微生物群落合成技术等),获得有自主知识产权的技术体系。”徐凌说,“同时要防范盲目跟跑国际热点,应面向我国农业生产的特定环境和实际需求,以主要农业动植物、农业微生物和农业生态为综合研究对象,从农业水土环境、作物种质、生物农药肥料等领域充分发掘农业微生物的应用潜力,助力实现我国资源节约型、环境友好型现代农业发展。”

褚海燕认为,我们不仅要研究微生物群落分布,还要研究微生物组和作物产量、品质、生物固氮等功能之间的关系。通过生物信息分析、海量数据分析,识别关键微生物,然后分离培养,通过微生物间的网络关系筛选核心物种,构建最简“微生物组”,最后通过菌群移植或合成菌群制剂来改良“非健康的土壤”,从而保证作物优质高产。

“农业微生物研究不仅涉及土壤微生物,还应关注农作物自身的微生物组。”褚海燕说,“农业微生物研究将在解决粮食安全、环境保护、全球变化以及人类健康等方面起着更加重要的作用。”

 
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