浙江大学构建叶际微生物组精准设计策略

叶际是地球上最大的生物表面，也为功能微生物提供了广阔的栖息地。高效挖掘和发现抵御植物病害的叶际微生物组，不仅为植物抗病性丧失治理提供潜在方案，也对保障我国粮食安全生产和可持续发展具有重要意义。然而，目前对于叶际微生物群落组装机制和功能方面的理解仍不充分，这极大限制了抗病叶际微生物组的精准设计及其在农业生产中的高效应用。

2022年12月6日，浙江大学詹成芳、Haruna Matsumoto、刘羽飞及王蒙岑在Nature Food发表题为“Pathways to engineering the phyllosphere microbiome for sustainable crop production”的综述论文，文章系统探讨了影响叶际微生物群落组装的因子以及叶际微生物群落对植物宿主抗病性的调控机制，并首次构建了整合全息组学、遗传学操作、高通量培养鉴定和新兴人工智能技术的叶际微生物组研究框架与策略，为精准设计抗病叶际微生物组，保障粮食生产可持续发展提供了新途径。

叶际是一个非常苛刻且不稳定的生境，叶际微生物经常要面临水分和营养物质的不足，以及剧烈变化的强光、高温、高紫外线和新出现的大气扰动（如臭氧、PM2.5、微塑料）等影响。除了应对环境变化，叶际微生物还受到宿主遗传因素和生长发育时期变化的影响，同时也受到其他微生物或者害虫等生物因素的影响。近年来也有研究表明叶际微生物还面临着来自人类世的挑战。未来对这些因素如何影响叶际微生物群落组装是开发叶际功能微生物的主要和必要的步骤。在叶际组装定殖的微生物通过多种途径调控宿主抗病性。

随着自然界微生物种间相互作用的普遍发现，除了广泛的病原菌拮抗生物防治剂被确定外，最近的研究还发现了微生物信号分子（点击查看最新研究进展：Nature Plants封面文章|Bacterial seed endophyte shapes disease resistance in rice）也能影响植物的抗病性。此外，叶际微生物还可以通过调节宿主代谢、协调植物先天免疫系统、介导植物与植物之间的串扰等方式，进而系统调控植物的抗病性。

结合新兴的高通量分离和鉴定技术，利用生物信息学分析获得关键微生物群，当分离的微生物被应用到合成群落的构建中，并在受控系统或特定环境下移植到宿主中，可以更精确地解释叶际微生物群的功能。利用GWAS和QTLs定位分析能够预测和识别控制叶际微生物群的寄主遗传因子。结合基因编辑、快速发展的“全息组学”以及遗传和生化操作，将使我们对宿主中有益微生物富集相关的遗传位点以及叶际微生物组影响抗病的调控机制有更全面的了解。基于不同尺度下高通量数据的收集（基因组数据、田间或试验地数据、具体到某一植株的表型数据和微生物组数据等），通过Deep Learning来实现对植物健康状态和抗病相关微生物标志物的精准预测和识别，促进智慧农业和粮食可持续生产。

叶际微生物组研究框架与策略（图源自Nature Food ）

叶际微生物组的精准设计为促进目前依赖于R基因的抗病育种提供了一种强有力的互补技术。为了突破当前的瓶颈，需要进一步在菌株和群体层面同时发掘功能叶际微生物，特别是具有塑造抗病性能力以及对全球变化背景下不利因素具有恢复力的微生物。利用整合全息组学、基因操作和新兴人工智能技术的研究策略，可以更有效地挖掘和利用叶际微生物组资源，从而实现更安全的作物生产和智慧农业。

https://www.nature.com/articles/s43016-022-00636-2

https://www.nature.com/articles/s41477-020-00826-5