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Nature子刊:提高作物產量?農作物微生物組是關鍵

2021-02-11 00:00:00健康

編者按:

人口的不斷增長導致對糧食的需求日益增長。然而,由於土地退化、氣候變化以及其他眾多因素的制約,農作物的產量要滿足日益增長的需求是極具挑戰的。利用農作物微生物組技術並開發生產相關產品,被認為是具有前景的應對方法。不過,此類方法也存在一些挑戰。

今天,我們特別編譯了發表在Nature Reviews Microbiology雜誌上關於農作物微生物組的文章。希望本文能夠為相關的產業人士和諸位讀者帶來一些啟發和幫助。

① 糧食危機

全面評估農作物微生物組的結構和功能,是可持續農業開發有效、合理的微生物組技術的迫切需求之一。這項工作將為不同作物物種與其微生物組間的關鍵生態關係和進化互作提供新的知識,有助於提高農業產量。

到 2050 年,全球的食物產量預計需要增長 70%才能滿足日益增長的人口需求[1]。然而,由於持續的土地退化、土地肥力下降、氣候變化和越來越多的極端天氣,目前農業的情況想要滿足這樣的要求是很困難的。

另外,經濟(如高成本低利潤)、社會(如消費者對無化學食品的需求)、環境(如減少水和空氣汙染)、政策(如歐盟綠色協議)的發展也需要能夠同時提高農作物產量和實現環境可持續的創新方法[2]。

因此,包括糧食及農業管理局(Food and Agriculture Authority,FAO)及學術團體(如美國科學院)在內的多個組織,都在大力鼓勵發展創新自然產品,以作為傳統農業食物和膳食纖維的補充,確保糧食和纖維的持續供應[1,3]。

要在保證食品安全的同時又能實現生態友好的最有希望的長期解決方法之一是利用與農作物緊密相關的微生物組[2,3]。這些微生物能夠解決資源可用性、植物健康以及對生物的和非生物脅迫的恢復能力等問題。

人們已經充分認識到了農作物微生物組的功能潛力,當前出現了大量專注於微生物產品的公共和私人投資,旨在支援傳統農業並提高農業產量。因此,農業微生物產品屬於增長最快速的全球產業,年增長率為 17%,預期到 2026 年,市值將達到 120 億美元[4]。

相反,由於監管的要求和消費者對低化學殘留食物的需求,基於化學制劑的產品(目前市值為 2500 億美元),特別是殺蟲劑,預計其市值將會減少。比如,歐盟表示到 2030 年要減少 50%的化學殺蟲劑的使用,並使用生物製劑進行代替[5]。

② 農作物微生物組

儘管土壤微生物和植物微生物在農作物的產量方面有重要的作用,但是我們認為基於植物微生物組開發的工具,包括內生菌(生活在植物組織內的微生物)和根際(與作物根系相關的土壤)微生物組,相比於土壤(沒有附著於農作物根部的土壤)微生物更有可能成功。

利用植物微生物組更有可能成功的原因是植物和它們的微生物組之間存在的生態進化互作(eco-evolutionary interactions)。這包括微生物組與根際根系分泌物化學多樣性的代謝耦合需求所導致的選擇壓力,以及由植物免疫系統引起的只允許少數微生物組富集的內生層的過濾效應。

另外,植物與微生物組間緊密的物理聯絡對作物產量也有很大的影響。因此,調節這一關係的工具(例如,種衣劑或組織培養)均有可能支援基於農作物微生物組方法的成功[2,6]。

農作物核心微生物組是指植物微生物組中的一組微生物,與特定的農作物種類相關,並且在任何環境條件下都存在,與農作物共同進化,發揮重要作用。農作物核心微生物組的新科學知識可能可以用來開發有效的植物微生物組工具、生物活性代謝物和二者的組合物,以提高農作物的產量[7]。

然而要實現農作物微生物組的全部潛能,提高產量並可持續耕地,需要對農作物微生物組的結構和功能及其與宿主之間在不同地區、不同土地種類上的互相作用有更好的瞭解,在某種程度上這與人類微生物組計劃的目標類似。

③ 目前的挑戰

目前,微生物接種劑(microbial inoculants)的使用已經在農藝方面的一些問題上起了一定的作用,然而,大範圍的使用率依然較低,主要是由於在某些環境條件下出現了效果不穩定的情況[7,8]。

這種現象是由一些科學和技術因素導致的,包括缺乏定植和/或表型的表達、與土壤中的微生物存在競爭、缺乏植物-微生物相互識別和植物驅動的定向選擇。

微生物組技術想要在農業系統中的成功應用,需要填補一些知識上的空白,主要包括以下方面:對農作物核心微生物組中的關鍵種類和功能作用的認識;對作物微生物組的建立、動態變化和穩定性的生態進化過程(例如,透過馴化過程)的控制;不同環境條件下影響農作物產量的植物-微生物互作網路和訊號通路的鑑定;以及微生物組對宿主中控制農作物產量的基因、表型、健康的影響的認識。

類似地,目前技術上存在的不足限制了當前產品的成果轉化,包括提高引入微生物的定植效率的產品及技術的短缺,和在適宜的位置操作微生物組來吸引或維持有益微生物的活性的有效工具[2,6,8,9]。

另外,一些監管(註冊與安全要求)和社會風險(例如公眾的感知和接納)仍是限制因素,需要積極應對以幫助未來商業化和應用的成功。

④ 解決方案

微生物產品預期將能夠有效提高農業的產量、抵抗全球變化、實現可盈利和可持續,並且減少化學類產品的使用。

然而,要達到這些預期目標,首先,需要利用多種方法來產生創新的解決方法和工具,包括開發針對農作物核心微生物組的微生物產品和工具,確保產品與宿主及其微生物組能夠相容;使用生物化學物質(如吸引有益微生物的訊號分子)的原位微生物組工程的創新方法;利用遺傳工具(如植物育種、利用吸引有益微生物的基因組特性進行基因編輯)和微生物工具(啟用其他有益微生物的微生物群落);以及採用一種跨學科的方法來確保微生物組工具能夠成功整合到傳統農業中。

這些科學的和技術上的進步應該與旨在確保全球經濟公平競爭的政策(比如《名古屋議定書》)、農民培訓和資源配置同步。另外,可以採用有效的交流來管理政治、公共和商業化風險,並將重點放在長遠的發展而非短期的成果。

從某種意義上說,全球科研政策之間的協調是必要的。

雖然全球農作物微生物組方面產生的新的科研成果為全球農作物微生物組提供了一些基礎資料(如作物微生物組和可持續農業全球倡議,旨在提高我們對全球作物微生物組結構和功能的生態進化驅動力的認識),並且國際間的政策(國際生物經濟論壇)也在積極制定之中,但是這些行動仍然需要擴大範圍,或者採取更多的同型別行動來提供有效的解決方案。

如果這些問題能夠得到系統解決,那麼,新的農作物微生物組工具將會給農業產量和利潤,微生物產業的增長,環境的可持續發展,帶來革命性的變化。


參考文獻

1.Food and Agriculture Authority. Microbiome the Missing Link. http://www.fao.org/3/ca6767en/CA6767EN.pdf (2020).

2.Singh, B. K. & Trivedi, P. Microbiome and the future for food and nutrient security. Microbial. Biotechnol. 10, 50–53 (2017).

3.National Academies of Science, Engineering and Medicine. New Report Identifies Five Breakthroughs to Address Urgent Challenges and Advance Food and Agricultural Sciences by 2030. http://www8.nationalacademies.org/onpinews/newsitem.aspx?RecordID=25059 (2018).

4.Stratistics Market Research Consulting. Agricultural Microbials - Global Market Outlook (2017–2026). https://www. researchandmarkets.com/research/vdth4t/global?w=4 (2020).

5.European Commission. Farm to fork fact sheet https://ec.europa.eu/ commission/presscorner/api/files/attachment/865559/factsheetfarm-fork_en.pdf.pdf (2020).

6.Trivedi, P., Leach, J. E. & Tringe, S. G. et al. Plant–microbiome interactions: from community assembly to plant health. Nat. Rev. Microbiol. https://doi.org/10.1038/s41579-020-0412-1 (2020).

7.Qiu, Z. et al. New frontiers in agriculture productivity: optimized microbial inoculants and in situ microbiome engineering. Biotechnol. Adv. 37, 107371 (2019).

8.Kaminsky, L. M. et al. The inherent conflicts in developing soil microbial noculants. Trends Biotechnol. 37, 140–151 (2019).

9.Busby, P. E. et al. Research priorities for harnessing plant microbiomes in sustainable agriculture. PLOS Biol. 15, e2001793 (2017).

原文連結:https://www.nature.com/articles/s41579-020-00446-y

作者|Brajesh K. Singh, Pankaj Trivedi, Eleonora Egidi, Catriona A. Macdonald and Manuel Delgado- Baquerizo

編譯|gemiu