在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，健康的土壤是作物豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的基礎(chǔ)，而根際——植物根系周圍的微小區(qū)域——是植物與土壤微生物互動最活躍的“戰(zhàn)場”。這里的微生物居民，即根際微生物組，對植物的養(yǎng)分吸收、抗病抗逆能力至關(guān)重要，堪稱植物的“第二基因組”。然而，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的集約化種植模式，例如長期依賴化肥和農(nóng)藥，如同對土壤微生物群落進(jìn)行了一場“大掃蕩”，顯著降低了其多樣性，削弱了土壤的生態(tài)功能，使得作物更易生病、更依賴外部化學(xué)投入。如何恢復(fù)和增強(qiáng)土壤的“生命力”，成為了可持續(xù)農(nóng)業(yè)面臨的重大挑戰(zhàn)。

植物促生長根際菌（Plant Growth-Promoting Rhizobacteria, PGPR）為此提供了一種充滿希望的綠色替代方案。這些“益菌”能通過產(chǎn)生植物激素、鐵載體，或誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性等多種方式幫助植物。過去的研究多聚焦于單一菌株的應(yīng)用，但它們往往因定殖能力有限或與土著微生物競爭而效果不穩(wěn)定。于是，科學(xué)家們將目光轉(zhuǎn)向了微生物“聯(lián)合作戰(zhàn)”——合成群落（Synthetic Community, SynCom）。將多種功能互補(bǔ)的微生物組合在一起，有望通過協(xié)同作用提供更強(qiáng)的功能韌性和更穩(wěn)定的促生效果。但一個關(guān)鍵的科學(xué)問題隨之而來：當(dāng)我們將人工組建的微生物“特遣隊”引入土壤時，它們會與土壤原有的、復(fù)雜的土著微生物“居民”發(fā)生怎樣的互動？這種互動是短期的“喧賓奪主”，還是能引發(fā)長期、有益的“社區(qū)重建”？特別是，以往研究多關(guān)注細(xì)菌，而真菌等其他微生物成員的反應(yīng)常被忽視，這限制了對根際生態(tài)系統(tǒng)響應(yīng)的全面理解。

針對上述問題，發(fā)表于《Scientific Reports》的一項研究深入探究了這個問題。研究者以全球重要的蔬菜作物番茄為模型，開展了一項精細(xì)的時序研究。他們從番茄自身的核心微生物組（即在不同番茄植株和生長環(huán)境中都穩(wěn)定存在的微生物類群）中，篩選出了10株具有促生或生防潛力的本地細(xì)菌菌株，包括常見的^Bacillus和^Pseudomonas，以及^{Glutamicibacter}、^{Paenarthrobacter}、^{Chryseobacterium}和^Leclercia等較少被研究的類群。基于菌株間的相容性測試，研究者構(gòu)建了三個不同復(fù)雜度的SynCom：四株菌的MIX1、六株菌的MIX2（在MIX1基礎(chǔ)上加入兩株假單胞菌）和十株菌的MIX3。他們將這些SynCom通過灌根方式施用到番茄幼苗的根際，并系統(tǒng)監(jiān)測了隨后四周內(nèi)番茄的生長狀況以及根際細(xì)菌和真菌群落的結(jié)構(gòu)與功能變化。

本研究采用了多學(xué)科交叉的研究策略。首先，通過體外交叉劃線法評估了10株P(guān)GPR菌株之間的互作相容性，為SynCom的理性設(shè)計提供依據(jù)。研究主體為溫室盆栽實驗，使用‘Pizzutello’（有限生長型）和‘Proxy’（無限生長型）兩個番茄品種，通過土壤灌根方式施加不同組成的SynCom，以水處理作為對照，定期測量植株的生長指標(biāo)（株高、鮮重、干重）。為解析微生物群落動態(tài)，在‘Proxy’品種的根際，于處理后0小時（T0）、1周（T1）、2周（T2）和4周（T4）四個時間點采集樣本。運(yùn)用高通量擴(kuò)增子測序技術(shù)，針對細(xì)菌16S rRNA基因和真菌ITS（Internal Transcribed Spacer）區(qū)域進(jìn)行測序，以分析根際微生物群落的組成和多樣性。利用生物信息學(xué)流程對測序數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括質(zhì)控、生成擴(kuò)增子序列變體（ASV）表、計算α和β多樣性指數(shù)，并通過差異豐度分析鑒定受處理顯著影響的微生物類群。此外，使用PICRUSt2（Phylogenetic Investigation of Communities by Reconstruction of Unobserved States）工具，基于16S rRNA基因序列數(shù)據(jù)預(yù)測了細(xì)菌群落的功能潛能。最后，通過將SynCom菌株的基因組序列與根際樣本的ASV序列進(jìn)行比對（相似度≥99.5%），追蹤了接種菌株在土著群落中的豐度動態(tài)。

通過交叉劃線法評估了10株P(guān)GPR菌株在三種培養(yǎng)基上的互作。結(jié)果顯示，^Pseudomonas菌株在PDA培養(yǎng)基上對所有其他菌株（包括彼此）均表現(xiàn)出抑制活性，而^{Bacillus velezensis}PFE11抑制其他^{B. velezensis}菌株。^Leclerciasp. S52與^{Paenarthrobacter}和^{Chryseobacterium}sp. POE47之間也存在抑制區(qū)。這些體外拮抗關(guān)系是后續(xù)構(gòu)建具有不同互作動態(tài)的SynCom（MIX1、MIX2、MIX3）的基礎(chǔ)。

所有SynCom處理均能顯著促進(jìn)兩個番茄品種的生長。在無限生長型品種‘Proxy’上效果尤為明顯，處理后4周，MIX2和MIX3（均含^Pseudomonas）處理的植株株高比對照分別增加了94%和84%，而MIX1（不含^Pseudomonas）僅增加39%。植株的地上部鮮重和干重也顯著增加。每周監(jiān)測顯示，MIX2和MIX3在處理后一周即能顯著提高株高，且效果持續(xù)至實驗結(jié)束。

高通量測序分析表明，時間因素是驅(qū)動根際細(xì)菌群落組成的最主要因素。在時間框架內(nèi)，SynCom處理引發(fā)了動態(tài)的、時間依賴性的群落變化。β多樣性分析顯示，在T1和T2時間點，MIX2處理的細(xì)菌群落與對照有顯著差異。在門水平上，所有處理組隨時間均表現(xiàn)出Planctomycetota和Verrucomicrobiota相對豐度增加，而Proteobacteria、Actinobacteriota和Bacteroidota減少的趨勢。

差異豐度分析揭示了SynCom處理對細(xì)菌群落的顯著重塑，且主要影響低豐度的“稀有生物圈”類群。T1時響應(yīng)最強(qiáng)烈，共鑒定出136個差異顯著的細(xì)菌屬，其中MIX2引發(fā)的響應(yīng)最廣。早期響應(yīng)（T1）以多個細(xì)菌類群的富集為特征，包括一些參與硫循環(huán)（如^Sulfurovum、^{Desulfosporosinus}）和氮循環(huán)（如^Azospirillum）的稀有類群。到T4時，群落響應(yīng)趨于一致，且主要表現(xiàn)為類群的耗竭，共有18個細(xì)菌屬在所有處理中均被耗竭。真菌群落的響應(yīng)較弱且延遲，主要在T2和T4被檢測到。SynCom處理似乎調(diào)節(jié)了真菌的演替，例如在T4時，所有處理組中Basidiomycota（擔(dān)子菌門）的相對豐度均高于對照。

利用PICRUSt2預(yù)測功能顯示，MIX2和MIX3處理的根際細(xì)菌群落，其預(yù)測的基因家族在萜類、聚酮類代謝以及碳水化合物和氨基酸代謝等相關(guān)通路上表現(xiàn)出耗竭，而在異生物質(zhì)（Xenobiotics）生物降解和代謝通路上則顯示富集。MIX1處理則呈現(xiàn)相反趨勢。這表明含有^Pseudomonas的SynCom可能引導(dǎo)群落功能向解毒等方向轉(zhuǎn)變。

通過序列比對追蹤接種菌株發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)匹配接種菌株的ASV在根際中的絕對豐度隨時間推移而下降，到T4時部分菌株（如^Leclerciasp. S52、^{Chryseobacterium}sp. POE47）已檢測不到或豐度極低。值得注意的是，一些與接種菌株匹配的ASV在未接種的對照中也有檢出，表明它們是土壤中已有的土著成員。

本研究構(gòu)建了三個由番茄核心微生物組來源的本地PGPR菌株組成的小型合成群落，并證實它們均能促進(jìn)番茄生長，其中含有^Pseudomonas的MIX2和MIX3效果最為顯著。研究表明，SynCom并非通過接種菌株自身長期、高密度的定殖來直接發(fā)揮作用，而是通過早期、間接地調(diào)控根際土著微生物組，特別是“稀有生物圈”，來產(chǎn)生持續(xù)的促生效應(yīng)。根際細(xì)菌群落的響應(yīng)具有明顯的時間動態(tài)：早期（T1）特異性富集與關(guān)鍵生物地球化學(xué)循環(huán)相關(guān)的稀有類群；后期（T4）各處理組響應(yīng)趨同，主要表現(xiàn)為稀有類群的耗竭以及預(yù)測功能向異生物質(zhì)降解通路的轉(zhuǎn)變。此外，SynCom還發(fā)揮了一種微妙的跨界調(diào)節(jié)作用，影響了真菌群落的演替，維持了Basidiomycota和Mucoromycota的種群。功能預(yù)測分析提示，含有^Pseudomonas的SynCom可能引導(dǎo)細(xì)菌群落形成了相似的功能狀態(tài)。

這項研究的意義在于，它證明了基于宿主核心微生物組、合理設(shè)計的、分類學(xué)多樣的小型合成微生物群落，能夠有效促進(jìn)作物生長并重塑根際微生物群落結(jié)構(gòu)，其作用機(jī)制關(guān)鍵在于對稀有生物圈的早期調(diào)控而非接種菌的持久占位。這加深了我們對微生物接種劑如何與復(fù)雜土壤生態(tài)系統(tǒng)互作的理解，為開發(fā)下一代高效、穩(wěn)定的微生物肥料或生物防治產(chǎn)品提供了重要的理論依據(jù)和設(shè)計新思路，即從追求單一菌株的“明星效應(yīng)”轉(zhuǎn)向注重調(diào)控土著微生物組的“生態(tài)系統(tǒng)工程”。研究成果支持利用定制化的、基于核心組的微生物群落來改善作物生產(chǎn)力和土壤健康，盡管將其優(yōu)化用于農(nóng)業(yè)實踐仍需進(jìn)一步研究。