在廣袤的田野上，每一抔泥土都隱藏著一個微觀的奇妙世界——數量龐大、種類繁多的微生物。雖肉眼不可見，它們卻是農作物的隱形“守護者”，在農業領域扮演著極為關鍵的角色。近年來，微生物研究進入了一個全新的發展階段，尤其是在土壤微生物群落、植物與微生物相互作用等方面的探索，為現代農業發展提供了重要支撐。在全球農業面臨高效生產與環境保護雙重壓力的背景下，微生物正在改變傳統農業的生產模式，並為解決諸多難題提供新思路。

搞清作物的“第二基因組”

微生物，是一類體型微小、結構簡單的生物，包括細菌、真菌、病毒等。它們廣泛存在於土壤、水體、空氣中，當然，也包括農作物的根際土壤。這些微生物數量驚人，1克土壤中就可能含有數十億個微生物細胞。它們編碼的基因組信息約為植物自身的數十倍，被稱為作物“第二基因組”。

長期以來，人類對土壤微生物的認識停留在“黑箱”狀態——大量微生物因難以在實驗室培養，因此無法獲取其功能特性，更難在農業生產中加以利用。然而，隨著技術的不斷創新，高通量的微生物分離培養已成為可能，越來越多的微生物能被進一步研究及挖掘，它們自帶的遺傳信息也逐漸被揭示，作物“第二基因組圖譜”呼之欲出。

那麼，從復雜的環境中獲取這些微生物資源需要解決哪些問題呢？主要是兩大挑戰：一是如何從植物微生物群落中獲得大量可培養的單一菌株﹔二是如何對這些菌株進行篩選並准確地進行物種鑒定？

如今，這兩大挑戰都有了解決辦法。簡單來說，第一個問題的解決方法是基於梯度稀釋的原理，利用多種不同的細菌培養基對根際微生物群落進行稀釋，分離出大量可培養的單一細菌懸液。每個分離出來的細菌懸液都會被賦予一個標簽，以便后續區分和追蹤。解決第二個問題則要採用高通量測序技術，獲取所有細菌懸液的對應序列標簽和物種信息。通過追蹤這些標簽，可以篩選出一些獨特且有潛力的菌株，以進一步進行基因組測序，繪制其完整的基因組信息。

經過近10年的積累，我國科研團隊不斷接力，已經完成了涵蓋水稻、小麥、玉米等主糧作物及番茄、苜蓿等十余種經濟作物的根系細菌資源庫，並配套詳細的基因組圖譜。這些資源不僅為本領域研究提供豐富的菌株基礎，更為將來發展個性化施肥、定制型微生物菌劑等農業新技術打下了堅實基礎。在農田管理中，傳統“靠經驗、靠慣例”的施肥施藥方式，正逐步被“看基因、看微生物”的科學化決策所取代。

農業生產的多功能伙伴

微生物在農業中的作用，遠比我們想象的強大得多。

微生物是農作物的“營養師”，通過分解土壤中的植物難以直接利用的養分形式，如有機物質、氧化物或難溶性鹽類，將其轉化為離子態，提高植物對氮、磷、鉀、鐵等營養元素的吸收。同時，微生物還能與植物根系形成共生關系，這些微生物就像是蟻群中的工蟻，將更多的營養持續不斷地輸送給蟻后（植物），幫助植物更高效地吸收這些養分。例如，根瘤菌與豆科植物共生，能將大氣中的氮氣轉化為植物可利用的氮素，大大提高了土壤的肥力﹔水稻的兩個亞種籼稻和粳稻在氮利用效率上存在顯著差異，籼稻根系富集更多與氮循環相關的微生物類群，這些微生物幫助水稻利用土壤中的有機氮，可能是籼稻氮肥利用效率高於粳稻的重要原因之一。

除了幫助植物吸收養分，微生物還能增強植物對逆境的耐受性。在干旱、鹽鹼、高溫等惡劣環境下，一些特定的微生物能夠幫助植物調節自身的生理代謝，提高植物的抗逆能力，使其更好地適應環境變化。此外，微生物還能成為植物“衛士”，幫助植物抵御病害的侵襲，如赤霉病、青枯病、根腐病等常見農業病害。它們可以通過競爭營養、產生抗菌物質等方式，抑制病原菌的生長和繁殖，從而減少病害的發生，增強作物對惡劣環境的適應能力，為農業生產應對日益頻繁的極端天氣提供有效策略。或許在不遠的將來，這些菌株可以為作物加上“環境保險”，提高作物在不可控環境中的自保能力，以減少農業生產損失。

在提升作物品質和產量方面，微生物也發揮著出乎意料的作用。以往我們觀察到的一些作物優質表型，可能在很大程度上源於微生物的作用。例如，高油大豆品種的根際富含大量Massilia細菌，這些細菌通過激活大豆的相關遺傳通路，促進種子中油脂的積累，從而改善大豆的品質。這可能是該品種在優良遺傳基因之外的另一重要原因。此外，某些微生物分泌的小分子信號能夠直接影響植物的生長發育，從而提高作物的產量。例如，水稻根際屬於Exiguobacterium的菌株可以在自然田間調控水稻的分蘖數量，其合成的環二肽cyclo(Leu-Pro)能夠作用於水稻的激素受體，模擬作物內源信號，從而調控水稻的分蘖表型。這些發現為作物品質改良及單位面積產量提升，提供了一種新思路，即通過調節微生物組來優化已有品種的作物性狀，而非依賴傳統的長周期育種策略。

農業可持續發展的新方向

隨著科技的不斷進步，我們對微生物的認識也在不斷深入，它們在農業生產中大有可為，為相關產業帶來更廣闊的發展空間。

一方面，我們可以利用微生物的功能特性，開發出更加精准、穩定、高效、環保的農業微生物菌劑。通過整合多種功能菌的特性，開發出功能多元化的復合菌劑，菌劑中的微生物可以相互協作，在田間環境進行穩定的功能輸出，綜合促進作物的生長。

此外，根據不同作物或同一作物不同發育時期的需求，有針對性地補充有益微生物，提高土壤肥力，增強植物抗逆性，調控生長發育進程，實現農業生產高產、穩產、優質的目標。與傳統的“化肥+農藥”的生產模式不同，有益微生物的應用在提升作物產量和品質的同時，顯著減少對環境的負面影響。這種方法通過更精細的資源管理和更小的環境代價，推動農業的綠色、可持續發展。

另一方面，我們可以通過研究微生物與植物之間的相互作用，揭示植物主動塑造根際微生態的機制。例如，植物根部會釋放一些特殊的次生代謝物，如三萜、香豆素等，這些化合物具有“選擇性喂養”作用，能促進有益菌群生長，抑制潛在有害菌的定植。我們可以通過引導植物自身的代謝路徑，間接調控其微生物組，實現更加安全、無污染的農業生產。

此外，微生物在農業病害防控方面也有著巨大潛力。通過挖掘微生物中的“暗物質”，我們可以發現更多具有防病、抗虫功能的有益化合物，為農業病害防控提供新的思路和方法。例如，一種能顯著抑制小麥赤霉病的有益菌株可以分泌Herbicolin A，這種物質能夠精准破壞病原真菌的細胞膜，表現出強大的防病潛力。這些成果不僅拓展了農業病害防控的路徑，也為發展微生物新藥、農業合成生物技術提供了“原材料庫”，為微生物在農業中的應用開辟了新的領域。

在全球范圍內，隨著農業綠色轉型的加速，微生物技術的研發和應用已逐漸成為農業科技創新的重要驅動力。筆者團隊通過十多年持續攻關，圍繞“第二基因組”的資源建設、功能解析與應用轉化，系統推進了我國根際微生物研究體系化進程，並為國家農業綠色發展和種業振興戰略提供了重要科技支撐。

研究這些微生物，是希望讓種地更科學、施肥更精准、病虫害更少，讓農業真正實現高效可持續。在全球高度關注綠色替代和種源創新的背景下，微生物研究正成為農業科技新的增長極。隨著國家對綠色農業、減肥增效、種業突破的持續布局，作物“第二基因組”的研究不僅是科學家的興趣，更是國家的戰略需要。

從微觀根際到廣袤田野，從實驗室數據到畝產提升，這項研究正在改變農業的思維方式，也正在改變你我餐桌上那碗米飯的來源方式。

（作者：白洋，系北京大學生命科學學院研究員）

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