《Discover Plants》：Synthetic microbial consortia for sustainable crop biofertilization and phytopathogen biocontrol: a critical review
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由于可持续农业发展趋势，环境友好型组分而非化学基物质受到更多关注。合成微生物群落（synthetic microbial consortia, SMCs）因具有功能互补优势，正日益成为单一有益微生物的有效替代方案。研究人员可通过组合 Pseudomonas、T
由于可持续农业发展趋势，环境友好型组分而非化学基物质受到更多关注。合成微生物群落（synthetic microbial consortia, SMCs）因具有功能互补优势，正日益成为单一有益微生物的有效替代方案。研究人员可通过组合 Pseudomonas、Trichoderma 和 Bacillus 等多种分类单元构建稳定群落，从而提高养分的生物有效性。SMCs 采用自下而上（bottom-up）策略设计，涉及微流控（microfluidics）和代谢建模（metabolic modelling）等工具。这些方法的主要目标是确保菌株兼容性并降低拮抗活性。从实验室到田间的转化仍较困难，因为群落的长期稳定性取决于若干关键因素，包括根际定殖（rhizosphere colonization）效率、与本土细菌的竞争以及环境条件变化。为保持微生物活力，研究人员正在发展一些关键策略，包括智能递送方法和包埋技术。该综述提出，未来研究必须关注基因工程群落的生态整合，以在多种农业生态系统中实现作物稳定生产和病害抑制。
1 引言：微生物群落因提高作物生产力、土壤肥力和生态平衡受关注，参与氮固定、磷酸盐溶解、铁载体（siderophore）介导铁获取和植物激素产生。微生物接种剂可减少化学农药化肥需求，并通过竞争、抗生、诱导系统抗性（induced systemic resistance, ISR）和群体感应（quorum sensing, QS）等支持植物健康；Bacillus、Pseudomonas、Trichoderma 等可降低植物病原体反应。合成微生物群落（synthetic microbial consortia, SMCs）按兼容性和功能特性构建，宏基因组学、转录组学、代谢组学和微生物组工程为其设计提供工具，但需理解微生物通讯、竞争、耐久性和植物-微生物互作。
1.1 合成微生物群落的概念与依据：SMC由不同微生物组成，通过协调互作执行互补任务；设计依据为功能互补、微生物兼容性和生态稳定性。其较单菌接种剂田间更稳定，并通过信号、交叉喂养和生态位分化增强根际持久性，提供广谱病害保护。
1.2 生物施肥与生物防治机制：SMCs通过固氮、溶磷、钾和微量营养元素活化、铁载体介导铁获取、吲哚乙酸（indole acetic acid, IAA）和 ACC 脱氨酶（ACC deaminase）调节等提高养分有效性和植物表现，并限制病原铁可用性。
1.3 诱导系统抗性（ISR）与病原抑制：ISR由 Trichoderma、Pseudomonas、Bacillus 等植物生长促进根际细菌（plant growth promoting rhizobacteria, PGPR）激发，涉及乙烯和茉莉酸信号及防御基因表达；营养竞争、抗生、细胞壁降解酶和铁载体螯合共同抑制病原，SMC较单菌更稳定。
1.4 抗生、竞争与群体感应（QS）：抗生依赖吩嗪、pyrrolnitrin、2,4-二乙酰基间苯三酚（2,4-diacetylphloroglucinol, DAPG）、surfactin、iturin、fengycin 等抗微生物代谢物及裂解酶。营养和生态位竞争限制病原；QS通过 N-酰基高丝氨酸内酯（N-acyl homoserine lactones, AHLs）、寡肽和 autoinducer-2（AI-2）调控生物膜、抗生素和铁载体基因，部分成员可群体淬灭（quorum quenching）。
1.5 合成群落的设计、配方与优化：菌株选择强调功能互补、相互兼容、根际定殖、宿主兼容、环境适应、QS协调、生物安全和遗传稳定，并需可大规模生产、配制和长期保存。
1.6 配方策略与稳定性增强：载体基配方、生物炭、壳聚糖/海藻酸盐/卡拉胶包埋、微胶囊、纳米制剂、乳液、冷冻干燥和喷雾干燥等用于维持活力、延长货架期、增强抗逆和根际缓释。
1.7 合成群落中微生物的功能多样性：1.7.1 Bacillus：形成内生孢子，溶磷、产铁载体和 IAA，产生脂肽、水解酶和挥发物，根表形成生物膜。1.7.2 Pseudomonas：代谢多能，溶磷、铁载体、激素调节和次级代谢物促生，通过抗生素、裂解酶、竞争和 ISR 抑制病原。1.7.3 Azospirillum：固氮、产 IAA、改变根构型，提供根发育功能。1.7.4 Azotobacter：自由生活固氮，产激素、铁载体和维生素，作为生物肥料组分。1.7.5 Rhizobium：与豆科共生固氮，作为固氮核心成员。1.7.6 Paenibacillus：溶磷、氮相关过程、激素、铁载体和胞外酶，占据互补生态位。1.7.7 Streptomyces：产生抗生素、铁载体、胞外酶和挥发物，抑制病原并促进抑病环境。1.7.8 Trichoderma：重寄生、竞争、细胞壁降解酶、次级代谢物和刺激植物防御，并影响根构型。
1.8 丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi, AMF）：AMF 根外菌丝增加土壤探索体积，促进磷获取并影响水分和胁迫响应；可通过竞争、改变根际微生物组和激活防御抑制病害，2024年荟萃分析支持其对植物生物量及氮磷营养的正效应，与 PGPR 互作可为协同或拮抗。
1.9 土传和叶部病害管理：豆科中 Rhizobia 与 Trichoderma、Pseudomonas 组合用于鹰嘴豆和大豆；园艺作物中 Bacillus、Pseudomonas、Trichoderma 群落抑制番茄和辣椒的 Fusarium oxysporum、Alternaria 和 Xanthomonas；谷物中群落降低 Rhizoctonia、Pythium 和 Fusarium 病害；棉花、甘蔗等也通过多菌株群落降低枯萎和根腐。
1.10 病害抑制中的协同互作：QS、抗生、营养竞争和系统抗性诱导协调可产生加性或乘性抑制；Bacillus 与 Pseudomonas 对 Fusarium、Rhizoctonia 和 Pythium 更有效，Trichoderma-PGPR 真菌-细菌群落结合重寄生和细菌拮抗具协同收益。
1.11 田间表现与可规模化性：田间表现受环境、土壤、本土微生物和作物形态影响；耐胁迫菌株选择、成本有效发酵、批次一致性、种子包衣/土壤浸泡/叶面管理和质量控制对可规模化重要。
1.12 生态适应性与菌株兼容性问题：生态适应性要求添加微生物在动态土壤和根系统中持续、定殖和发挥作用；本土竞争和生态位限制可致田间效果变化。互作可为破坏性、中性或互利，过度多样可能降低生产力，大规模生产储存中生长差异可致功能丧失。本土适应菌株、基因组选择、代谢谱分析和包埋载体可改善稳定性。
1.13 监管与生物安全考量：工程微生物引发生态、人类健康风险担忧；传统单菌框架不足，需系统级风险评估，包括毒性、致病性、环境存活、水平基因转移、生态稳定性和非目标生物影响。实验室、温室和监测田间试验为商业认证所需。
1.14 未来展望：未来应开发功能兼容、田间存活稳定的群落，利用多组学、微生物组工程、规律间隔成簇短回文重复序列（clustered regularly interspaced short palindromic repeats, CRISPR）基因编辑和人工智能（artificial intelligence, AI）/机器学习优化设计；需改进配方、载体、货架期和递送系统，并研究生物和非生物胁迫下的作物恢复力。
2 结论：SMCs因互补功能在可持续农业中具潜力，但表现依赖群落稳定性、兼容性、功能互补、宿主基因型、环境和土壤质量；关键障碍为田间建立不一致、耐久性、有效性和生物安全监管限制。未来应聚焦田间测试和农业生态系统基础的SMCs，结合生态学、组学指导和预测技术。
