《Plant and Soil》：Soil health and One Health implications in the anthropocene: a perspective on microbiome engineering
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气候变化和人类世压力加速了土壤退化，威胁到农业生产率、生态系统和人类健康。在一体化健康（One Health）框架内，土壤是关键的活态系统。然而，尽管土壤健康的物理和化学维度已被充分研究，其生物学维度——特别是微生物组功能多样性——在气候韧性农业中仍未得到充分
气候变化和人类世压力加速了土壤退化，威胁到农业生产率、生态系统和人类健康。在一体化健康（One Health）框架内，土壤是关键的活态系统。然而，尽管土壤健康的物理和化学维度已被充分研究，其生物学维度——特别是微生物组功能多样性——在气候韧性农业中仍未得到充分利用。研究人员认为，微生物组功能多样性是连接土壤健康（Soil Health）与一体化健康（One Health）所缺失的生物学基础。研究人员提出，不应将微生物组视为孤立的组成部分，而应将其作为调控土壤、植物、动物和人类系统韧性的相互关联的功能网络来对待。研究人员将微生物组工程定位为一个战略研究重点，旨在将生态学知识转化为可持续的农业解决方案。综合智利-瑞典ACCESS论坛的讨论，研究人员确定了至关重要的研究优先方向：探索来自严酷、古老和极端环境的微生物组；开发合成微生物群落（SynComs）；以及整合高分辨率质谱、多组学、微尺度土壤模型和扩展基因型（extended genotype）方法。这些工具为操控增强养分循环、碳封存、胁迫耐受性和污染物修复的微生物功能提供了前所未有的途径。将微生物组功能多样性从生态发现推进到功能性微生物组工程，是实现气候韧性农业生态系统以及在人类世实现一体化健康（One Health）框架全球目标的一个关键且可操作的步骤。
论文解读
1. 研究背景与问题
在人类世背景下，气候变化和环境足迹正给农业土壤带来前所未有的压力。气温升高、干旱、土地退化、污染和生物多样性丧失威胁着生态系统功能、粮食安全以及植物、动物和人类的健康。传统上，改善土壤韧性的策略侧重于物理和化学性质，而作为生命系统的生物学组分——土壤微生物组受到的关注相对不足。目前，退化的土壤和农业生态系统覆盖了地球陆地面积的40%，影响了半数人类，包括32亿受干旱和荒漠化影响的人口，以及8亿面临粮食不安全的人群。因此，亟需一种新的视角来理解和利用土壤的生物潜力。
2. 研究目的与意义
本研究旨在阐明，微生物组功能多样性是连接土壤健康（Soil Health）与一体化健康（One Health）框架所缺失的生物学基础。研究人员提出，应将微生物组视为调控土壤、植物、动物和人类系统韧性的互联功能网络，并将微生物组工程定位为将生态知识转化为可持续农业解决方案的战略研究优先方向。这项工作基于2026年1月在智利康塞普西翁举行的智利-瑞典学术合作论坛（ACCESS）的讨论成果，其重要意义在于为发展气候韧性农业和实现人类世的一体化健康全球目标指明了关键行动路径。
3. 主要技术方法
研究人员为开展研究，综合运用了以下关键技术方法：
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合成微生物群落（SynComs）开发：设计和构建由已知功能的微生物菌株组成的简化群落，用于在可控条件下研究和优化特定生态系统功能。
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高分辨率质谱与多组学整合：结合宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白质组学和代谢组学等多组学技术，深入解析复杂土壤微生物群落的组成、功能和代谢活性。
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微尺度土壤模型：建立能够在微观尺度模拟土壤物理化学异质性和微生物空间分布的实验模型，以研究微生物相互作用及其对生态过程的调控机制。
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扩展基因型（extended genotype）方法：将宿主及其共生微生物组的遗传信息作为一个整体单元进行考量，以全面理解植物、动物和人类的表型、适应性及进化潜力。
4. 研究结果
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土壤健康在一体化健康框架中的角色：研究强调了土壤健康是一体化健康的核心组成部分。土壤健康被定义为土壤作为一个维持生物生产力、环境质量和促进植物、动物及人类健康的活态系统的能力。论文指出，土壤健康支撑着土壤安全，并为实施一体化健康方法提供了基础，因为土壤长期支持植物生产力和养分循环的能力取决于保持生物活性和功能多样性的土壤系统。
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二氧化碳减排、水分与养分利用优化：土壤是地球上最大的可管理碳库之一。微生物多样性和关键功能类群的存在与土壤碳库的稳定性密切相关。更高的土壤有机碳能增强微生物活性，并通过促进矿物稳定化和腐殖质形成来提高水分和养分利用效率。研究人员强调，提高土壤碳储量需要改进预测能力和生态系统管理策略，而这些过程强烈依赖于植物与土壤微生物组之间的相互作用。
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我们缺失的营养素：人类饮食中的微量元素缺乏往往反映了农业土壤中的矿物质限制。土壤微生物通过矿物风化、螯合、有机酸生产和酶促转化等过程动员营养物质，从而增强植物对矿物质的生物可利用性。过去一个世纪中，主要粮食作物中锌（Zn）、钙（Ca）、锰（Mn）、铁（Fe）和铜（Cu）等关键矿质营养素的浓度显著下降，降幅高达约50%至近100%。蔬菜中的微量元素水平也出现下降，例如西兰花、花椰菜和羽衣甘蓝等作物的铁含量下降了约60%，维生素A下降了约40%。
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土壤污染物：人类世的土壤日益暴露于重金属、全氟和多氟烷基物质（PFAS）以及微塑料（MPs）等传统和新出现的污染物。PFAS因其极端的化学稳定性、流动性和抗降解性成为全球关注的污染物，与内分泌干扰、免疫失调和发育效应有关。微塑料会改变土壤物理结构、水动力学和化学性质，同时深刻影响微生物群落和土壤生物活性。研究表明，来自严酷、古老和极端环境（如沙漠、极地、盐碱和地热生境）的微生物组具有非凡的功能多样性，可能产生新型酶、生物表面活性剂和氧化催化剂，有助于降解顽固性污染物。
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健康与不健康的土壤：健康的、气候韧性土壤的特征不仅是有利的理化性质，还包括驱动养分循环、碳封存、病害抑制和植物生产力的高功能微生物多样性。相反，土壤健康状况下降表现为微生物定殖减少、功能基因多样性丧失、养分循环受损以及对农用化学品的依赖增加。研究特别指出，绿色革命后的现代小麦品种根际微生物组出现了有益细菌类群和功能基因的大量损失，约95%的差异丰度功能基因在现代品种中被耗尽。
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自然系统中产生生物多样性的生态机制：生物多样性主要通过互补效应和选择效应促进生态系统功能。互补效应允许不同功能特征的生物更有效地利用资源，而选择效应则源于高生产力或耐胁迫物种对生态系统过程的不成比例影响。研究强调了水平基因转移（HGT）在产生微生物遗传多样性中的关键作用，尤其是在生物膜和强环境选择压力下。细菌基因组由保守的核心基因组和灵活的可变基因组组成，后者包含与环境适应相关的基因。这种机制使得即使16S rRNA基因序列几乎相同的菌株也可能因可变基因差异而在功能上截然不同。
5. 讨论与结论
讨论部分总结了将一体化健康概念转化为直接行动的紧迫性。研究人员主张，微生物组功能多样性应成为土壤健康和一体化健康研究的核心支柱。通过整合来自严酷和极端环境的生态知识与新兴的微生物组工程技术，可以为发展能够应对气候变化、污染和粮食安全的韧性农业系统提供路线图。
研究结论：将微生物组功能多样性从生态发现推进到功能性微生物组工程，代表了实现气候韧性农业生态系统以及在人类世实现一体化健康（One Health）框架全球目标的一个关键且可操作的步骤。
