農(nóng)作物微生物組：跨越轉(zhuǎn)化臨界點(diǎn)的現(xiàn)代生物技術(shù)*

白 洋 錢景美 周儉民 錢 韋

1 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所 北京 100101

2 中國(guó)科學(xué)院微生物研究所 北京 100101

農(nóng)作物微生物組：跨越轉(zhuǎn)化臨界點(diǎn)的現(xiàn)代生物技術(shù)*

白 洋1**錢景美1周儉民1錢 韋2**

1 中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所 北京 100101

2 中國(guó)科學(xué)院微生物研究所 北京 100101

在微生物組技術(shù)體系中，農(nóng)作物微生物組具有較好的研究基礎(chǔ)和廣闊的應(yīng)用前景，已經(jīng)處于從基礎(chǔ)研究成果向田間應(yīng)用轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵時(shí)期。目前，該領(lǐng)域在農(nóng)作物-微生物組-土壤環(huán)境之間的相互關(guān)系，益生菌及其功能基因?qū)ψ魑锷L(zhǎng)發(fā)育的影響，微生物組改善農(nóng)作物氮、磷、鐵等元素高效吸收，微生物組提高植物先天免疫反應(yīng)和抗多種環(huán)境脅迫等方向取得了突破性的研究進(jìn)展。發(fā)達(dá)國(guó)家和跨國(guó)農(nóng)業(yè)公司在該領(lǐng)域持續(xù)加強(qiáng)投入，基于農(nóng)作物微生物組研究的成熟產(chǎn)品迅速開拓市場(chǎng)，已成功應(yīng)用于作物栽培和生產(chǎn)。相關(guān)技術(shù)在減少化學(xué)肥料和農(nóng)藥的使用、大幅提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量與品質(zhì)方面展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用前景。我國(guó)在農(nóng)業(yè)可持續(xù)性發(fā)展方面存在農(nóng)藥肥料濫用、環(huán)境污染、病害威脅嚴(yán)重等重大問題，農(nóng)作物微生物組學(xué)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展將為解決這些問題提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。為此，我國(guó)亟待在農(nóng)作物微生物組項(xiàng)目規(guī)劃、人才隊(duì)伍培養(yǎng)、創(chuàng)新價(jià)值鏈培育和產(chǎn)業(yè)化方面進(jìn)行調(diào)整，促進(jìn)農(nóng)作物微生物組的研究和技術(shù)發(fā)展，為保障國(guó)家糧食安全和食品安全作出重大貢獻(xiàn)。

農(nóng)作物微生物組，綠色農(nóng)業(yè)，營(yíng)養(yǎng)高效，抗病蟲害，產(chǎn)業(yè)化

DOI10.16418/j.issn.1000-3045.2017.03.006

1 農(nóng)作物微生物組的概念以及與農(nóng)業(yè)發(fā)展的關(guān)系

自然界中，正常生長(zhǎng)的農(nóng)作物表面（包括地上和地下部分）和作物內(nèi)部富集了數(shù)量龐大且種類繁多的微生物。這些微生物的集合被稱為農(nóng)作物微生物組[1]。這些微生物編碼了比宿主植物更多的基因，通過協(xié)作和競(jìng)爭(zhēng)形成穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)，對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育、抗病、抗逆至關(guān)重要。目前對(duì)這些微生物的認(rèn)識(shí)還比較片面，主要集中在根瘤菌、叢枝菌根和某些病原菌上，只是農(nóng)作物微生物組中很小的一部分。人類對(duì)于絕大部分農(nóng)作物根系和葉片微生物還并不了解（圖1）[2]。此外，由于研究技術(shù)手段的限制，傳統(tǒng)主要開展依賴于實(shí)驗(yàn)室條件下農(nóng)作物與單一微生物互作關(guān)系的研究，很少在自然狀態(tài)下研究微生物組與宿主植物共存的機(jī)制。農(nóng)作物微生物組學(xué)研究把與農(nóng)作物相關(guān)的所有微生物在群落水平作為一個(gè)整體，探究其如何影響農(nóng)作物的各項(xiàng)生理功能，同時(shí)更加關(guān)注微生物之間以及微生物群落與宿主之間的相互作用。

圖1 根系微生物組及其潛在功能

農(nóng)作物微生物組與農(nóng)業(yè)發(fā)展密切相關(guān)，已經(jīng)成為當(dāng)前生命科學(xué)的熱點(diǎn)前沿之一。中國(guó)古代，人們就開始考慮利用輪作和間作，提高土壤肥力，避免病害。最新的研究表明，這些合理的耕作方式都與農(nóng)作物微生物組的動(dòng)態(tài)平衡相關(guān)[3]。在微生物組學(xué)的發(fā)展推動(dòng)下，國(guó)際重要農(nóng)業(yè)公司，如孟山都（Monsanto）、科漢森（Chr. Hansen）、拜耳作物科學(xué)（Bayer CropScience）和諾維信（Novozymes）等已將其作為重點(diǎn)研究和開發(fā)的領(lǐng)域，并且已經(jīng)形成了相對(duì)成熟的產(chǎn)業(yè)鏈。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅 2015 年，上述主要國(guó)際農(nóng)業(yè)公司投入作物微生物組的研發(fā)經(jīng)費(fèi)已經(jīng)達(dá)到 20 億美元。

2 農(nóng)作物微生物組為解決現(xiàn)代農(nóng)業(yè)問題提供了新思路

中國(guó)是世界上首屈一指的農(nóng)業(yè)大國(guó)，在糧食增產(chǎn)、食品安全、化肥農(nóng)藥高效用量過度、農(nóng)業(yè)廢棄物污染、連年耕作土傳病害嚴(yán)重等方面承壓較重，亟需重大農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的突破和替代應(yīng)用。農(nóng)作物微生物組為解決這些問題提供了全新的角度和思路。因此，我們亟待調(diào)整相應(yīng)的項(xiàng)目和產(chǎn)業(yè)支持政策、加大投入力度，力爭(zhēng)在這一新興農(nóng)業(yè)生物技術(shù)領(lǐng)域取得快速突破，為保障國(guó)家糧食和食品安全作出重要貢獻(xiàn)。

2.1 減少化學(xué)肥料的過度使用

為了保證作物產(chǎn)量，中國(guó)的化肥用量逐年提高，但利用效率僅為 30% 左右。濫用化肥嚴(yán)重污染了生態(tài)環(huán)境，對(duì)食品安全造成重大影響。目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中主要以培育新品種的方式來提高作物營(yíng)養(yǎng)吸收效率，但存在育種周期長(zhǎng)、成本高等問題。根系微生物在植物吸收氮（N）、磷（P）等營(yíng)養(yǎng)元素的過程中起著重要的作用。除了根瘤菌幫助植物固氮和叢枝菌根促進(jìn)磷吸收之外，隨著微生物組技術(shù)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)其他根系細(xì)菌和真菌也參與了植物固氮和吸收磷元素的過程[4,5]。近期，我們還發(fā)現(xiàn)了能幫助植物吸收鐵（Fe）元素的全新益生菌。因此，系統(tǒng)研究農(nóng)作物微生物組在宿主植物氮、磷、鐵等重要元素營(yíng)養(yǎng)吸收方面的功能，可以讓我們更好地了解農(nóng)作物營(yíng)養(yǎng)吸收過程，發(fā)現(xiàn)更多的益生菌，從而提高農(nóng)作物的營(yíng)養(yǎng)吸收效率，減少化學(xué)肥料的使用。

2.2 避免農(nóng)藥的濫用

中國(guó)化學(xué)農(nóng)藥的用量占全球的 1/3?；瘜W(xué)農(nóng)藥的過度使用影響環(huán)境中的生物多樣性并給人們的健康生活帶來安全威脅，如“三致”（致畸、致癌、致突變）作用、生殖功能受損等，目前缺乏有效的解決方案?；瘜W(xué)農(nóng)藥在使用過程中容易引起抗藥性，成本高且破壞生態(tài)環(huán)境。而從微生物組的角度入手則為解決這一問題提供了新的思路和方向：通過微生物組對(duì)土壤進(jìn)行改造，增加土壤中的拮抗菌，從而對(duì)土壤中的病原菌進(jìn)行抑制。研究表明，在土壤環(huán)境中進(jìn)行生物防治時(shí)，發(fā)揮有效作用的微生物類群較為復(fù)雜，多種益生菌與宿主植物之間存在復(fù)雜的作用關(guān)系[3]。我們的初步結(jié)果表明，植物根系益生菌群落可以穩(wěn)定地促進(jìn)植物在有尖孢鐮刀菌或大麗輪枝菌的環(huán)境中生長(zhǎng)。生物防治研究重點(diǎn)已經(jīng)由利用單一微生物菌株轉(zhuǎn)向了利用微生物組。因此，在探究根系微生物組功能的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行人工重組和精準(zhǔn)移植，能夠?yàn)榻鉀Q農(nóng)藥污染帶來的生態(tài)環(huán)境問題提供新思路。

2.3 為解決連作障礙提供新手段

中國(guó)耕地面積逐年減少，耕種條件限制嚴(yán)重，不得不實(shí)施連作制度，導(dǎo)致了病害嚴(yán)重和土壤肥力逐年下降等問題。例如：主要植棉區(qū)新疆的棉花黃萎病、中藥材三七的土傳病害等都是在連作過程中產(chǎn)生的嚴(yán)重病害，影響了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。目前的解決方法主要包括換土、拔除病株、種子處理等方式，但成本高、效果差。最新的研究表明，連作病害發(fā)生的主要原因就是土壤生態(tài)環(huán)境中微生物組的失衡。比如大豆連作病原菌青枯拉爾氏菌的爆發(fā)的主要原因是根系微生物組中，以假單胞菌為主的益生菌群落的密度下降[3]。所以，農(nóng)作物微生物組研究對(duì)改善土壤生態(tài)環(huán)境，克服連作土壤中微生物群落失衡引起的連作障礙非常重要。

2.4 緩解農(nóng)業(yè)廢棄物污染

農(nóng)業(yè)廢棄物的處理是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)凸現(xiàn)的嚴(yán)重環(huán)境問題。農(nóng)用塑料在生產(chǎn)上有著重要作用，如塑料農(nóng)膜、節(jié)水灌溉系統(tǒng)等，為農(nóng)業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)發(fā)展作出了巨大貢獻(xiàn)，然而大量塑料因此殘留在農(nóng)田、林區(qū)和水林中，不斷積累，逐漸形成隔斷層，造成“白色污染”，影響作物根系對(duì)水肥的吸收和作物生長(zhǎng)發(fā)育，制約了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。最新的研究表明，土壤微生物可以通過活性酶高效降解農(nóng)業(yè)殘存塑料，為處理農(nóng)業(yè)廢棄物提供了全新的思路[6,7]。通過對(duì)廢物回收過程中的微生物組協(xié)同作用的研究，可實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物的高效處理，低碳環(huán)保。

2.5 從全新角度幫助農(nóng)作物的改良

傳統(tǒng)育種過程中，大面積種植單一作物品種，單純追求產(chǎn)量提高的同時(shí)，造成了抗逆性下降、抗病性減弱等問題，很難使高產(chǎn)和抗逆性狀并存。有益微生物則可能從獨(dú)立于宿主的角度幫助植物提高抗病抗逆能力，如果與傳統(tǒng)育種方式相結(jié)合，就可能從全新的角度加快育種速度，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

3 國(guó)內(nèi)外農(nóng)作物微生物組的研究現(xiàn)狀

近 5 年以來，隨著高通量測(cè)序、規(guī)?；⑸锓蛛x鑒定和微生物組學(xué)研究技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)作物微生物組學(xué)已成為國(guó)際科研的前沿領(lǐng)域之一。目前已經(jīng)獲得擬南芥及其近緣種、玉米、大麥、葡萄、萵苣、馬鈴薯、番茄、水稻、甘蔗、豌豆等農(nóng)作物以及特殊環(huán)境植物（如怪柳等）的微生物組群落結(jié)構(gòu)信息。農(nóng)作物微生物組主要包括細(xì)菌、真菌、卵菌、藻類、原生生物、古生菌以及病毒等，其中細(xì)菌主要包括變形菌門、放線菌門、擬桿菌門和厚壁菌門[8-12]。農(nóng)作物微生物組主要受地理環(huán)境、物種類型、基因型等因素的影響[5,13]。目前農(nóng)作物微生物組分析已經(jīng)進(jìn)入到了功能研究階段，即從已知的微生物各類中分離重要種類，研究它們?cè)谧魑锷L(zhǎng)發(fā)育過程中的重要性。在此基礎(chǔ)上，該領(lǐng)域已經(jīng)開始對(duì)微生物群落進(jìn)行人工模擬和體系重建。研究表明，目前可培養(yǎng)64% 的根系以及 47% 的葉片細(xì)菌群落主體，并能夠在實(shí)驗(yàn)室中模擬自然情況下植物微生物群落的形成及演化過程[14]。該重組體系與測(cè)序手段相結(jié)合，為研究農(nóng)作物微生物組在宿主植物營(yíng)養(yǎng)吸收、抗病抗逆、生長(zhǎng)發(fā)育等各項(xiàng)生理過程中的作用鋪平了道路，為微生物組學(xué)從描述性研究到功能性研究的過渡打下基礎(chǔ)（圖 2）。

圖2 植物微生物組功能研究的技術(shù)路線

作物微生物組的研究已經(jīng)進(jìn)入到產(chǎn)業(yè)化階段，受到了國(guó)際生物農(nóng)業(yè)公司的重點(diǎn)關(guān)注。孟山都最近花費(fèi)數(shù)十億美元購(gòu)買微生物組和生物肥料相關(guān)的公司：諾維信控股的 TJ Technology 公司開發(fā)了一個(gè)名為 QuickRoots的菌劑產(chǎn)品，該產(chǎn)品是在對(duì)作物根際微生物組進(jìn)行規(guī)?；治龅幕A(chǔ)上，分離并將 2 種可培養(yǎng)微生物，即解淀粉芽孢桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）和綠木霉菌（Trichoderma virens）進(jìn)行科學(xué)配比與成分優(yōu)化，以種子包衣的形式推向市場(chǎng)。QuickRoots 產(chǎn)品能夠改善作物在苗期的營(yíng)養(yǎng)元素供給，目前其系列產(chǎn)品可應(yīng)用于小麥、玉米、大豆、油菜和牧草等主要農(nóng)作物。由于田間應(yīng)用效果非常穩(wěn)定，以小麥為例其增產(chǎn)量可達(dá) 220—250 kg/ha左右。TJ Technology 公司于 2014 年以 3 億美元的市場(chǎng)價(jià)格將該技術(shù)轉(zhuǎn)移給了孟山都。僅此一例可見農(nóng)作物微生物組技術(shù)的應(yīng)用潛力和市場(chǎng)規(guī)模。最近，歐盟和美國(guó)都啟動(dòng)了的作物微生物組重點(diǎn)研究項(xiàng)目，加大對(duì)作物微生物組基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)的研究。

4 對(duì)提升發(fā)展我國(guó)農(nóng)作物微生物組研究的政策建議

農(nóng)作物微生物組研究發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)，是利用微生物組技術(shù)減輕現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)化肥、農(nóng)藥和除草劑的嚴(yán)重依賴，同時(shí)大幅提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。我國(guó)農(nóng)業(yè)面臨人口壓力大、化肥農(nóng)藥濫用和農(nóng)業(yè)環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，上述目標(biāo)對(duì)于解決我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中存在著的重要技術(shù)障礙具有顯而易見的現(xiàn)實(shí)意義。因此，我們提出 5 點(diǎn)政策建議。

4.1 重視農(nóng)作物微生物組在現(xiàn)代生命科學(xué)研究和技術(shù)發(fā)展中的先導(dǎo)地位

與微生物組其他領(lǐng)域相比，農(nóng)作物微生物組研究具有非常明顯的研究特點(diǎn)。首先，經(jīng)過多年對(duì)土壤和作物根系微生物區(qū)系開展的微生物區(qū)系、生態(tài)學(xué)和土壤宏基因組等研究，該領(lǐng)域已經(jīng)具有較好的研究基礎(chǔ)。其次，由于農(nóng)業(yè)微生物技術(shù)在應(yīng)用環(huán)節(jié)里的倫理和產(chǎn)業(yè)障礙相對(duì)較少，技術(shù)應(yīng)用對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的影響顯著，其成果產(chǎn)出和轉(zhuǎn)化速度非?？欤钦麄€(gè)微生物組研究體系中最容易突破和產(chǎn)出實(shí)際成果的領(lǐng)域之一，在戰(zhàn)略布局時(shí)應(yīng)重視該領(lǐng)域研究?jī)?nèi)容的設(shè)置。但目前該領(lǐng)域尚存在研究目的性不強(qiáng)、數(shù)據(jù)收集分析零散化和多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域合作不夠充分等問題。在未來微生物組研究的戰(zhàn)略布局中，需要對(duì)研究目標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步凝聚，以解決我國(guó)重要作物（如水稻、小麥、棉花、大豆等）生產(chǎn)過程中實(shí)際存在著的連作障礙、病害猖獗、化肥農(nóng)業(yè)濫用和地力下降等問題為突破口，組織開展相應(yīng)的項(xiàng)目研究，打造科學(xué)問題在田間、分析解決在實(shí)驗(yàn)室、先進(jìn)技術(shù)造福三農(nóng)的創(chuàng)新價(jià)值鏈。

4.2 從重要農(nóng)作物入手，重視農(nóng)作物微生物組資源的收集、保藏和數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

我國(guó)作物品種多樣，農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境多樣化程度較高，情況復(fù)雜。以水稻為例，栽培面積從東北到海南共 6個(gè)主要稻作區(qū)，跨越多個(gè)氣候帶，海拔從 0—2 600 m，土壤類型包括紅壤、棕壤、黑土、褐土、鹽堿土等，產(chǎn)量、品質(zhì)差異大。這些農(nóng)田環(huán)境中包含著豐富的微生物組資源。因此，應(yīng)在國(guó)家層面建立我國(guó)重要作物典型農(nóng)田生境和作物根際微生物資源的收集、保藏和分析體系，加強(qiáng)微生物資源的基礎(chǔ)調(diào)查與科學(xué)分析工作，為下一步的功能微生物組學(xué)分析提供研究材料。同時(shí)，加強(qiáng)中國(guó)典型農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的微生物組大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)工作，為微生物組資源的收集、評(píng)價(jià)和分離篩選打好資源基礎(chǔ)。

4.3 重視功能微生物組學(xué)和植物-微生物組相互作用的研究

在農(nóng)作物微生物組資源收集和評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，功能微生物組學(xué)及植物-微生物組相互作用的研究不但是生命科學(xué)前沿領(lǐng)域的代表性學(xué)科，也是產(chǎn)生基礎(chǔ)研究成果，帶動(dòng)生物技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。與作物-環(huán)境相互作用研究領(lǐng)域不同，作物-微生物的相互作用涉及多種生命活動(dòng)的過程和它們之間相互影響、相互促進(jìn)和相互抑制的復(fù)雜關(guān)系，理解這些互作關(guān)系的生物學(xué)本質(zhì)是發(fā)展微生物技術(shù)的科學(xué)保證。在未來的學(xué)科布局中，應(yīng)進(jìn)一步重視該領(lǐng)域的人才隊(duì)伍建設(shè)和項(xiàng)目投入，著重對(duì)作物-微生物組相互作用關(guān)系中，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、生長(zhǎng)調(diào)節(jié)化合物、信號(hào)分子等物質(zhì)流和信息流進(jìn)行深入分析，理解生物互作過程的分子生物學(xué)和生物化學(xué)基礎(chǔ)，從而為人工設(shè)計(jì)或合成“理想微生物組”提供科學(xué)依據(jù)。

4.4 重視農(nóng)作物微生物組先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化

與孟山都等跨國(guó)公司相比，我國(guó)農(nóng)業(yè)公司的規(guī)模和創(chuàng)新研發(fā)實(shí)力還存在不少差距。例如，先正達(dá)公司（Syngenta）目前的市值已近 400 億美元，每年投入的研發(fā)經(jīng)費(fèi)近10億美元，接近我國(guó)科學(xué)技術(shù)部或國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)每年預(yù)算總額的 1/4。與之相比，我國(guó)農(nóng)業(yè)科技的龍頭企業(yè)之一隆平高科的市值僅約 35 億美元，每年投入的研發(fā)經(jīng)費(fèi)約 0.8 億元人民幣。在目前這種情況下，我國(guó)發(fā)展先進(jìn)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)仍然采取了以政府投入為主，公益性科研機(jī)構(gòu)與公司良性合作的方式進(jìn)行。為了鼓勵(lì)和促進(jìn)資源的市場(chǎng)配置，需要在產(chǎn)業(yè)政策上支持有創(chuàng)新能力的農(nóng)業(yè)公司加大對(duì)微生物組技術(shù)的研發(fā)投入，逐步改變技術(shù)發(fā)展由政府主導(dǎo)的發(fā)展模式；同時(shí)，也應(yīng)鼓勵(lì)實(shí)業(yè)界與科學(xué)界的實(shí)質(zhì)性合作，使農(nóng)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)問題與微生物組基礎(chǔ)研究問題之間進(jìn)行良性互動(dòng)，擴(kuò)大研究資助的來源，促進(jìn)該領(lǐng)域的快速發(fā)展。

4.5 培養(yǎng)創(chuàng)新性、多學(xué)科、多元化的新型人才

當(dāng)前，對(duì)科學(xué)研究的人才也提出了較高要求。研究過程中需要涉及到植物學(xué)、微生物學(xué)、基因組學(xué)、生物信息學(xué)等多方面背景，因此要求人才具有多個(gè)學(xué)科交叉的知識(shí)，同時(shí)具有快速學(xué)習(xí)和接受信息的能力，并對(duì)輕重緩急有著自己的態(tài)度和分辨，才能帶領(lǐng)整個(gè)學(xué)科昂首向前。

致謝 感謝中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)所劉永鑫、姜婷參與本文的資料整理工作。

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7 Krueger MC, Harms H, Schlosser D. Prospects for microbiological solutions to environmental pollution with plastics. Appl Microbiol Biotechnol, 2015, 99(21): 8857-8874.

8 Bulgarelli D, Rott M, Schlaeppi K, et al. Revealing structure and assembly cues for Arabidopsis root-inhabiting bacterial microbiota. Nature, 2012, 488(7409): 91-95.

9 Lundberg D S, Lebeis S L, Paredes S H, et al. Defining the core Arabidopsis thaliana root microbiome. Nature, 2012, 488(7409): 86-90.

10 Schlaeppi K, Dombrowski N, Oter R G, et al. Quantitative divergence of the bacterial root microbiota in Arabidopsis thaliana relatives. Proc Natl Acad Sci USA, 2014, 111(2): 585-592.

11 Edwards J, Johnson C, Santos-Medellín C, et al. Structure, variation, and assembly of the root-associated microbiomes of rice. Proc Natl Acad Sci USA, 2015, 112(8): E911-E920.

12 Hacquard S, Garrido-Oter R, González A, et al. Microbiota and host nutrition across plant and animal kingdoms. Cell Host Microbe, 2015, 17(5): 603-616.

13 Lebeis S L, Paredes S H, Lundberg D S, et al. Salicylic acid modulates colonization of the root microbiome by specific bacterial taxa. Science, 2015, 349(6250): 860-864.

14 Bai Y, Müller D B, Srinivas G, et al. Functional overlap of the Arabidopsis leaf and root microbiota. Nature, 2015, 528(7582): 364-369.

白 洋 中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)所研究員、博士生導(dǎo)師。2005 年畢業(yè)于武漢大學(xué)，2007 年獲得武漢大學(xué)植物發(fā)育生物學(xué)碩士學(xué)位，2010 年在德國(guó)科隆大學(xué)獲得植物發(fā)育生物學(xué)博士學(xué)位，2011—2015 年博士后期間在德國(guó)馬克斯普朗克植物育種研究所進(jìn)行植物根系微生物組學(xué)的研究。2016 年 5月至今，任中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)所研究員。2017年入選中組部“青年千人計(jì)劃”。目前主要研究根系微生物組在植物抗病抗逆、營(yíng)養(yǎng)高效等過程中的功能。

E-mail: ybai@genetics.ac.cn

Bai Yang Principle Investigator in the institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Science (CAS). He received B.S. and M.S. degree at Wuhan University for plant developmental biology in 2005 and 2007 respectively. He achieved his Ph.D. at Cologne University in Germany in 2010. Then, he worked on plant root microbiome in Max Planck Institute for Plant Breeding Research as a postdoc. He joined Institute of Genetics and Developmental Biology, CAS, as Principal Investigator in 2016. He was elected into “Thousand Youth Talent Program” in 2017. He is mainly working on root microbiota’s functions in plant disease resistance, stress tolerance and nutrient uptake. E-mail: ybai@genetics.ac.cn

錢 韋 男，中科院微生物所研究員，博士生導(dǎo)師，植物基因組學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。1994年畢業(yè)于云南大學(xué)生物系，1997年獲云南大學(xué)生態(tài)學(xué)碩士學(xué)位，2000年獲中科院植物所植物學(xué)博士學(xué)位，2000—2003年在中科院微生物所從事博士后研究。2003年至今，中科院微生物所助理研究員、副研究員、研究員。主要從事植物病原細(xì)菌致病分子機(jī)制的研究。E-mail: qianw@im.ac.cn

Qian Wei Male, Principal Investigator of the Institute of Microbiology, Chinese Academy of Science (CAS), and deputy-director of State Key Lab of Plant Genomics. Qian received his B.S. and M.S. degree from Department of Biology, Yunnan University, China in 1994 and 1997, and achieved his Ph.D in Institute of Botany, CAS, in 2000. He worked as a postdoc in the Institute of Microbiology, CAS, from 2000 to 2003. Since 2003, he has been working with Institute of Microbiology, CAS, as an assistant professor, associated professor and full professor. He mainly works on the mechanism of plant pathogen invasion. E-mail: qianw@im.ac.cn

Crop Microbiome: Breakthrough Technology for Agriculture

Bai Yang1Qian Jingmei1Zhou Jianmin1Qian Wei2
（1 Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China; 2 Institute of Microbiology, Chinese Academy of Science, Beijing 100101, China）

Plant microbiomics is an emerging research field that aims to solve scientific problems in plant-microbe interactions and facilitates the development of creative agricultural biotechnology. In recent years, achievements have been made in deciphering the relationships among crop-microbiome-soil, improving nutrition supply and plant development by microbes, and enhancing plant adaptive responses to defend multiple biotic or abiotic stresses. Developed by researchers and successfully applied in the field, microbiome-based biotechnologies have exhibited promising potential in agriculture by decreasing the usage of chemical fertilizers and pesticides, and increasing the crop production. To reach to a sustainable agriculture, China has to reinforce the financial support to the projects of microbiomics and adjust its R & D policy to improve the translational research in the critical area.

crop microbiome, sustainable agriculture, nutrient use efficiency, disease and pest resistance, industry development

*資助項(xiàng)目：中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）（XDB11020700、XDB1102 0200、XDB11040700）

**通訊作者

修改稿收到日期：2017年3月3日