Science: 重新"野化" 植物微生物组

农作物的祖先微生物群可能提供了一种增强可持续粮食生产的方法

在过去的十年里，研究表明生活在真核生物表面和内部的微生物——微生物群——是宿主健康的驱动因素。对于植物来说，微生物群可以通过增强免疫、营养获取和对环境压力的耐受性来极大地扩展它们的基因组能力。在不断变化的气候下，植物微生物群比以往任何时候都更被认为是提高粮食生产可持续性的一个杠杆。

微生物群重新野生化（microbiome rewilding）假说源于全球对利用微生物群尚未开发的功能潜力的兴趣，该假说认为，在现代驯化和工业化过程中，由于饮食改变、植物和动物育种以及(过度)使用抗生素、杀虫剂和化肥等，一些多样性(祖先)微生物群的关键成员丢失了，但我们可以通过恢复这些微生物群来改善植物和动物的健康。

一个核心问题是，农作物的祖先微生物群是否可以用来“重新野生”当前作物的微生物群。与扭转人类肠道微生物群的工业化相关变化类似，植物微生物群的野生化建立在这样一个前提上：野生祖先拥有现代作物菌群中未发现(或严重消耗)的具有特定特征的微生物属。然而，迄今为止，对于大多数植物物种来说，尚不清楚在植物驯化过程中是否有(以及哪些)微生物属和功能丢失了，也不知道野化在多大程度上可以增强现代作物的健康和可持续性。在动物系统中，对野化方法的有效性进行了激烈的辩论，对作物的野化方法也需要进行类似的讨论。

植物驯化是人类历史上最重要的成就之一，推动了从人类从游牧到定居的生活方式的转变。通过这一循序渐进的过程，农作物获得了一系列新的性状，包括更大的种子，确定性的生长，光周期敏感性，以及苦味物质水平的降低。尽管植物驯化使得食物供应更持续，但却导致植物遗传多样性的减少；这是因为驯化过程只想要目标的等位基因被遗传，而目标基因旁边的基因组区域却遭受了选择性扫荡。这种所谓的“驯化综合症(domestication syndrome)”降低了作物抵御病虫害的能力。

驯化也伴随着相当大的生境扩展和管理实践，越来越多地依赖外部投入（农药、肥料、淡水）以获得更高的产量，并保护驯化的作物免受非生物和生物的压力。这种植物从其原生栖息地到物理化学多样性的农业土壤的转变，也导致了微生物组组成的重大变化。例如，豆科植物的驯化，结合长期的氮施肥，与共生性较低的根瘤菌(在豆科植物根部形成结节的固氮土壤细菌)的进化有关。豆科植物品种对提供氮的根瘤菌和不提供氮的根瘤菌的区分能力较差。植物与互利的根部真菌（称为菌根）之间的共生互动被破坏也有记载，驯化的作物对真菌共生体的定殖率较低，和对真菌共生体的生长反应下降。农作物基因构成的改变至少可以部分解释这种微生物共生体组合的改变。

从理论上讲，重新野化可以通过遵循一个简单的路线图来实现，该路线图可以从它们的起源地点的野生祖先中识别出有益的微生物群，通过实验量化它们在多代中对现代作物的有益影响，并理清微生物定殖的植物遗传基础(见图)。然而，尚不清楚驯化和工业化是否以一致和收敛的方式影响了不同作物谱系中的微生物组的组装。这一点很重要，因为如果装配过程具有可预见性，那么重新野化的方法可能会更成功。

▲图 | 微生物辅助作物的研究路线图。野化包括在农业土壤或种植材料中恢复关键的祖先微生物，和/或培育具有支持祖先微生物群定殖的特定特征的现代作物。通过比较野生植物和驯化植物，可以对有益的祖先微生物群进行特征分析，使重新野化成为可能。

微生物组装配包括三种类型的相互作用——宿主对微生物、微生物对宿主和微生物对微生物——每一种都有自己的进化特征。研究得最充分的是宿主选择与其微生物群有益相互作用的选择压力。这意味着宿主可以调节物理和化学条件来控制不断进化的微生物群落。例如，植物主动释放分泌物，如糖、氨基酸、挥发性和次生代谢物，吸引并选择性富集特定的微生物物种。这些调节因子对微生物组组合施加选择压力，可以持续多个植物代，导致对宿主性能的不同影响。虽然宿主介导的微生物招募和选择仅被证明针对相对较少的分泌物(如独角内酯、类黄酮、香豆素、苯并恶唑类和有机酸)，但野生作物祖先很可能使用大量未知信号来控制其微生物群的组成和活性。

然而，宿主和微生物群并不是一个具有共同利益的单一进化单元。相反，在强大的选择压力的驱动下，微生物进化出了最大化自身成功的策略，以竞争和在宿主植物上或内部坚持下去，即使这会给宿主带来代价。作为回应，植物进化出了监测和控制微生物伴侣繁殖成功的机制。因为植物驯化是一个人工选择的过程，并不是有意地以最大化微生物对宿主的积极影响为目标，这些宿主控制机制可能已经减弱。事实上，对小麦、玉米和大豆的研究表明，驯化后微生物对宿主的积极影响会减少。如果控制微生物的选择减少，重新野化策略可能会变得更具挑战性，因为宿主植物将难以建立相互作用。

在理论上，识别作物植物和它们的野生祖先之间微生物群落的差异——以及调节这些差异的机制——很简单，但在实践中却很困难。高通量植物表型和基因分型、下一代测序和高级代谢组学等工具可以为驯化综合征的遗传和化学基础提供见解。然而，迄今为止，相对较少的植物性状被归因于单基因或通路。在微生物组方面，识别参与宿主选择的特定基因同样具有挑战性。大规模的比较(宏)基因组学分析正在揭示与微生物适应植物环境有关的基因。这些方法可以通过识别作物物种间有益相互作用的关键基因，帮助推动微生物组重新野生化。

为了揭示参与微生物组组装的植物特异性机制，通过作物栽培品种与其野生原种的杂交创造分离群体是迄今为止最全面的方法之一。重组自交系已经被用于识别控制各种农学相关性状（如病原抗性和耐旱性）的遗传位点，现在也被用于绘制作为植物表型的微生物组。通过全基因组关联作图、定量性状分析和精细图谱，可以确定与微生物组装配相关的驯化位点。然而，候选植物和微生物组基因的验证仍然具有挑战性，因为它需要考虑环境对基因表达的影响。

为了理解并最终实现微生物群在未来作物生产中的再野生化，需要对作物产地中心的原生土壤进行生物地理分析。这可以与野生亲缘、本地品种(驯化的、在当地适应的植物品种)和生长在本地和农业土壤中的改良作物品种的微生物群分析相结合。这些数据将有助于解释植物微生物组组成在驯化路径上的变化，并理清植物-土壤反馈在驱动这些变化中的重要性。考虑到植物基因型对微生物组组成的影响可能相对较小，将作物暴露在一系列不同的胁迫下，可以帮助放大特定祖先菌群的差异招募。野生作物起源中心的微生物群落的保存和基因组特征(即生物银行)也应得到优先考虑。

此外，微生物组移植应该整合在实验中，以确定关键的有益祖先菌群。类类似于用粪便微生物群移植来重新引导人类微生物群的失调成分，将复杂的微生物群落从野生作物亲缘植物的根或茎组织转移到它们驯化的同类的种子或种植材料上，最初可以用于识别特定的微生物相关的植物表型。如果野生微生物组移植对作物品种的有益影响得到证实，那么通过稀释到灭绝或设计合成微生物群落来最小化微生物群的复杂性的方法，可能有助于确定与特定植物表型相关的关键微生物属。

现代作物品种的性能也可以通过对本地微生物群的人工选择来提高。在这种实验进化方法中，微生物组作为一个整体通过实验传递给下一代宿主，而宿主在基因上保持不变。通过比较在不同选择制度下进化的群落的分类学和功能分析，可以确定人工选择的微生物组功能。将植物暴露在特定的压力下，如干旱或营养匮乏，可以加快对祖先有益群体的特定子集的寻找。随后，可以在野生近缘植物中找出负责招募这些联合体的特定植物根系渗出物（或其他控制机制）。然后可以针对这些特定的控制机制选择现有的驯化作物品种，并将其作为与祖先菌群兼容的宿主。

另一种方法是从野生作物祖先中识别相应的基因位点，并将其重新引入到驯化作物中，这在概念上类似于在驯化过程中丢失的抗病基因的转移。然而，考虑到参与微生物组组装的宿主性状可能是复杂的和多因子的，这可能无法以可预测的方式工作，这种方法的成功是值得怀疑的。与其将复杂的性状从野生祖先转移到驯化的作物上，还不如考虑从头驯化——即将驯化基因引入到野生作物亲属中，而不是反过来。

野化方法可以提供一个新的途径来利用祖先的微生物群的好处，并不排除使用驯化的作物栽培品种或农业管理方法，如肥料。在受控条件下，将田间生物学实验与还原论方法相结合，将有助于确定微生物能为作物提供各种服务的遗传和化学基础。在取得切实成果所需的步骤中，对起源中心的微生物群进行严格的分析和保存，并设计宿主植物和有益祖先微生物群的兼容组合，可能是最具挑战性的。随着野化研究在田间和实验室之间进行，其价值和在新一代 "微生物辅助 "作物的育种计划中的整合有待于在不同的农业生态环境中进行严格评估。