中科院提出“共生基因组育种”概念框架

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关键词：

来源：

Cell

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//agri.nais.net.cn/topic/downloadFile/68a015f9-483a-4864-8d74-0b15bd1e3b62

来源地址：

https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.01.035

资源所属：

农业生物技术专题

类型：

学术文献

语种：

英语

原文发布日期：

2025-03-20

摘要：

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。当前，农业贡献了20%-25%的温室气体排放，仅合成氮肥的生产和使用就占全球排放的5%，并通过氨挥发、硝酸盐淋溶等加剧环境污染。尽管“绿色革命”通过高产作物品种与化肥农药使全球粮食产量翻番，但也导致作物对化肥依赖性增强、微生物共生功能退化等问题。数据显示，现代栽培作物与微生物的互利关系较野生近缘种显著降低，农田土壤碳库稳定性下降，农业系统韧性面临严峻考验。基于此，文章指出，植物与根际微生物构成的“共生功能体”(holobiont)是破解困局的关键——根际微生物不仅能调控植物的养分吸收和胁迫抗性，其代谢产物与残体更对土壤稳定碳库有重要贡献。然而，传统育种长期忽视植物-微生物协同进化形成的生态功能基因，导致“高产但脆弱”的恶性循环。王二涛团队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。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。