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为解决微生物群落设计难题，提升作物生产力，研究人员开展合成群落（SynComs）研究。从玉米地方品种种子内生细菌构建 “Xilonen” SynCom，发现其有复杂菌落结构。该成果为农业微生物研究提供模型，助力可持续农业发展。
在农业领域，微生物对于植物健康和作物生产力至关重要，它们能帮助植物获取养分、缓解生物和非生物胁迫、调节免疫。微生物在植物根际附近形成多物种生物膜，其种间相互作用影响生物膜形成和植物有益功能的表达。因此，利用微生物接种剂提升作物产量、减少化学农药和肥料使用成为热门研究方向。然而，传统微生物菌群设计存在诸多问题，比如仅依据单个菌株体外研究选择 “生物相容性” 菌株，忽略了群落中复杂的相互作用，导致难以预测群落功能，且从实验室到田间应用的转化困难。为了解决这些问题，来自国外的研究人员开展了关于合成群落的研究，相关成果发表在《Biofilm》。
研究人员采用了多种关键技术方法。首先是组合筛选，通过部分组合的自下而上策略，对细菌共培养物进行筛选，观察其是否具有新兴特性；其次是基因组测序，对 “Xilonen” 合成群落中的菌株进行测序，确定其物种水平并进行基因组注释；另外还开发了绝对定量方法，利用抗生素抗性差异来量化混合菌落生物膜中的各菌株。
研究结果如下：
- “Xilonen” 合成群落的组装：研究人员从 27 种玉米地方品种种子内生细菌出发，若采用全组合筛选需测试 20,826 种共培养物，工作量巨大。因此他们采用部分组合筛选策略，先测试不同属的两两共培养物（k = 2），从 140 种共培养物中筛选出 15 种具有新兴菌落形态的组合，确认 11 种后，再加入额外菌株构建 k = 3 的群落继续筛选。最终仅测试 395 种共培养物，就成功筛选出一个具有新兴复杂菌落结构的三成员群落，命名为 “Xilonen”。
- 群落成员的基因组序列和物种鉴定：对 “Xilonen” 群落中的菌株进行基因组测序和分析，确定了其中两种菌株为短小芽孢杆菌（Bacillus pumilus）NME155 和污染伯克霍尔德菌（Burkholderia contaminans）XM7，另一种假单胞菌属（Pseudomonas sp.）GW6 菌株因与最接近的相对物种平均核苷酸同一性（ANI）和数字 DNA - DNA 杂交（dDDH）值低于阈值，只能鉴定到属水平。同时，对部分菌株基因组进行了组装和注释，但部分菌株的组装质量有待提高。
- 开发绝对定量方法：通过最小抑菌浓度（MIC）试验确定了用于筛选不同菌株的抗生素，对无法直接筛选的短小芽孢杆菌 NME155，构建了利福平抗性变体，从而实现对 “Xilonen” 群落中各菌株的绝对定量。不过，氯霉素对假单胞菌属 GW6 的定量存在一定影响，但因其在混合生物膜中占优势，可通过其独特菌落形态在非选择性培养基中定量。
- 群落中的生长动态：研究发现，在 “Xilonen” 群落中，各菌株生长动态与单独培养时不同。在混合菌落生物膜发育过程中，假单胞菌属 GW6 在多数时间占优势，群落中总 CFU 在第 5 天达到最大值，但群落及各菌株生长未因相互作用和菌落结构出现而被诱导，反而在第 3 天相对单独培养时生长有所抑制。
- 两两拮抗相互作用：通过点种试验评估两两负相互作用，发现 “Xilonen” 群落中的菌株存在多种拮抗相互作用，如短小芽孢杆菌 NME155 与污染伯克霍尔德菌 XM7 相互拮抗，污染伯克霍尔德菌 XM7 与假单胞菌属 GW6 也相互拮抗。
- 两两诱导生物膜形成：研究人员通过定性观察液体 - 空气界面的菌膜和定量结晶紫试验，评估共培养和条件培养基中生物膜形成情况。结果表明，在共培养时，生物膜粘附在两两共培养和三菌株共培养中均未增加；在条件培养基试验中，不同菌株在其他菌株条件培养基中的生物膜形成情况各异，说明分泌的信号可能介导了半固体 LB 培养基中 “Xilonen” 合成群落的新兴菌落结构。
研究结论和讨论部分指出，“Xilonen” 合成群落是一个功能凝聚的群落，所有成员共同作用才能表达出群落的新兴特性，可作为研究植物 - 微生物有益相互作用的模型，有助于开发更有效的农业生物接种剂。同时，研究中发现群落成员间存在两两负相互作用，这表明传统避免负相互作用选择菌株的策略存在局限性，实施合成生态学方法更有望获得生态相关且功能强大的微生物产品。此外，“Xilonen” 群落的菌落结构与生物膜形成相关，但其形成的分子机制以及对菌株适应性在不同环境胁迫下的影响还需进一步研究。该研究为理解微生物群落如何影响玉米发育提供了重要依据，为创新农业实践和可持续作物管理策略开辟了道路 。
