“現(xiàn)在俺愁的不是銷量,愁的是產(chǎn)量供不上?!焙幽鲜⌒虏炭h牛灣村益生菌水稻種植基地負(fù)責(zé)人彭東文樂(lè)呵呵地說(shuō),“俺的生態(tài)稻,在4月份開(kāi)始種秧時(shí)就全部預(yù)售完了?!?/p>
前不久,河南省新蔡縣牛灣村益生菌水稻種植基地的“豐收季”如期舉辦。得益于益生菌技術(shù)的使用,這種水稻在生長(zhǎng)周期內(nèi),病害、蟲(chóng)害率極大降低,不但減少了化肥農(nóng)藥用量,而且生產(chǎn)的大米顆粒飽滿、色澤透亮、口感軟糯、米香悠久。
牛灣村第一書(shū)記謝云介紹說(shuō),這是河南省首個(gè)把益生菌用到水稻種植方面的農(nóng)業(yè)技術(shù)項(xiàng)目,隨著技術(shù)的推廣和試種帶來(lái)的收益,越來(lái)越多村民想試一試這種技術(shù),“明年種植面積將進(jìn)一步擴(kuò)大”。
微生物組學(xué)技術(shù)已經(jīng)悄然在農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增效的“戰(zhàn)場(chǎng)”上凸顯力量。
被忽視的力量
“微生物組作為宿主的第二套基因組(第一套指宿主自身的基因組),長(zhǎng)期以來(lái)處于相對(duì)被忽略的狀態(tài)?!敝袊?guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院植物生理學(xué)與生物化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授徐凌對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)。
在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,全球科學(xué)家投入了大量的人力物力,去研究農(nóng)作物的功能基因,用以改良植物性狀,推動(dòng)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、保障糧食安全,目前已取得了顯著的成效。
一方面作物基因改良存在育種周期比較長(zhǎng)等問(wèn)題。另一方面,現(xiàn)在越來(lái)越多的研究發(fā)現(xiàn),植物微生物組可以提高植物抗旱、抗病等重要抗逆性狀,促進(jìn)氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用效率,廣泛參與調(diào)控植株生長(zhǎng)發(fā)育及雜種優(yōu)勢(shì)等多個(gè)生物學(xué)過(guò)程,并影響最終作物產(chǎn)量和品質(zhì)。
“因此,接下來(lái)針對(duì)‘作物—微生物組’作用機(jī)理的研究,必將大大加速傳統(tǒng)育種與微生物群落育種相結(jié)合進(jìn)行的農(nóng)作物性狀改良,以及農(nóng)業(yè)微生物技術(shù)產(chǎn)品(如生物種衣劑、微生物農(nóng)藥、微生物肥力等)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用?!毙炝枵f(shuō),“這會(huì)推進(jìn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、綠色高效現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展,符合國(guó)際農(nóng)業(yè)生物技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì),也是提升我國(guó)農(nóng)業(yè)科技核心競(jìng)爭(zhēng)力、保障國(guó)家糧食安全、提高農(nóng)業(yè)綜合效益的重要技術(shù)支撐。”
中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)微生物資源團(tuán)隊(duì)首席科學(xué)家魏海雷認(rèn)為,農(nóng)業(yè)微生物種質(zhì)資源種類豐富,涵蓋了細(xì)菌、真菌、病毒等重要類群,主要應(yīng)用于肥料、食藥用、飼料、植保、農(nóng)業(yè)環(huán)境等方面。微生物在探索高效、安全、資源節(jié)約、環(huán)境友好的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展之路上發(fā)揮著重要作用。
“特別是在綠色發(fā)展大背景下,農(nóng)業(yè)微生物的應(yīng)用極為迫切。”魏海雷說(shuō),“比如,解決‘藏糧于地’就需要微生物的參與,固氮微生物等微生物肥料可以增加土壤中的氮素來(lái)源,解磷、解鉀微生物可以分解土壤中難溶的磷、鉀,將其轉(zhuǎn)變?yōu)樽魑锬芪绽玫牧?、鉀化合物?!?/p>
此外,以微生物技術(shù)為紐帶,通過(guò)農(nóng)業(yè)廢棄物的肥料化、沼氣化、食用菌化和飼料化,把種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和居民生活緊密連接起來(lái),可以減少環(huán)境污染、改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境、發(fā)展農(nóng)業(yè)循環(huán)經(jīng)濟(jì),促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
微生物組學(xué)的“好時(shí)代”
微生物組是指一個(gè)特定環(huán)境或生態(tài)系統(tǒng)中,全部微生物及其遺傳信息的集合,其中蘊(yùn)藏著極為豐富的微生物資源。
“全面系統(tǒng)地解析微生物組的結(jié)構(gòu)和功能,將為解決人類面臨的能源、生態(tài)環(huán)境、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人體健康等重大問(wèn)題帶來(lái)新思路。”中國(guó)科學(xué)院南京土壤所研究員、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)教授褚海燕對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō),“然而,微生物組學(xué)研究在很大程度上取決于其技術(shù)與方法的發(fā)展?!?/p>
在高通量測(cè)序技術(shù)出現(xiàn)以前,微生物研究主要基于分離培養(yǎng)和指紋圖譜等技術(shù),然而,由于這些技術(shù)存在不足,人們對(duì)于微生物的認(rèn)識(shí)十分有限。本世紀(jì)初,微生物組學(xué)技術(shù)的興起,讓直接在DNA水平對(duì)環(huán)境整體微生物群落進(jìn)行分析成為可能,開(kāi)創(chuàng)了微生物分子生態(tài)學(xué)研究的新時(shí)代。而高通量測(cè)序和質(zhì)譜等技術(shù)的突破,使人們可以從DNA、RNA、蛋白質(zhì)和代謝物等不同水平解析微生物組,以獲得更為全面的微生物組信息。
“目前微生物組學(xué)研究正處于從數(shù)量到質(zhì)量、從結(jié)構(gòu)到功能的關(guān)鍵轉(zhuǎn)變時(shí)期?!瘪液Q嘟忉屨f(shuō),“微生物與其所處環(huán)境共同構(gòu)成了復(fù)雜的微生物組,在支撐生態(tài)系統(tǒng)過(guò)程和功能中,發(fā)揮著不可替代的作用。為充分發(fā)揮微生物組在各前沿領(lǐng)域的關(guān)鍵作用,迫切需要深入理解微生物組的結(jié)構(gòu)和功能?!?/p>
目前的組學(xué)技術(shù)仍存在一定局限性,建立在宏觀生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)上的理論和模型是否適用于微生物領(lǐng)域,針對(duì)個(gè)體層面的微生物研究是否適用微生物組等問(wèn)題目前還沒(méi)有明確的結(jié)論,仍需要更多的微生物組學(xué)數(shù)據(jù)支撐。
“微生物跟動(dòng)植物等大型生物不同,單個(gè)微生物的作用微不足道。而且環(huán)境中的微生物數(shù)量巨大,每克土壤里,就可能有成千上萬(wàn)種微生物,組學(xué)技術(shù)可將其作為一個(gè)整體研究,同時(shí)測(cè)定成千上萬(wàn)微生物的群落組成、功能和相互關(guān)系?!瘪液Q嗾f(shuō),“因此,微生物組學(xué)研究要和大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)結(jié)合起來(lái),深入理解微生物的組成、多樣性與時(shí)空分布,深入挖掘微生物的功能與調(diào)控機(jī)制。現(xiàn)在大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的進(jìn)步,讓微生物組學(xué)研究進(jìn)入了‘最好時(shí)代’?!?/p>
用好“后發(fā)優(yōu)勢(shì)”
“目前,世界范圍內(nèi)針對(duì)植物的微生物組學(xué)研究尚處于起步階段,且多側(cè)重于模式植物的理論研究,利用農(nóng)作物進(jìn)行大田應(yīng)用試驗(yàn)的例子還比較少,對(duì)于‘作物—微生物組’在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境下的互作機(jī)理知之甚少。”徐凌說(shuō),“在此背景下,我國(guó)農(nóng)業(yè)微生物組學(xué)的研究正逐步體現(xiàn)出后發(fā)優(yōu)勢(shì)?!?/p>
目前,我國(guó)農(nóng)業(yè)微生物組學(xué)技術(shù)體系逐步完善,有一批年輕且富有創(chuàng)造力的人才,但“在前沿理論研究方面總體上處于跟跑狀態(tài),多偏重于技術(shù)應(yīng)用”,在基礎(chǔ)研究、原創(chuàng)成果、頂尖人才、技術(shù)生態(tài)、基礎(chǔ)平臺(tái)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等方面,“距世界領(lǐng)先水平還存在明顯差距”。
“因此,在建設(shè)科技強(qiáng)國(guó)目標(biāo)和農(nóng)業(yè)科技自主創(chuàng)新戰(zhàn)略的指引下,需繼續(xù)加大農(nóng)業(yè)微生物組理論研究的投入,致力于突破一批關(guān)鍵技術(shù)瓶頸(如微生物組基因編輯技術(shù)、人工微生物群落合成技術(shù)等),獲得有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)體系?!毙炝枵f(shuō),“同時(shí)要防范盲目跟跑?chē)?guó)際熱點(diǎn),應(yīng)面向我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的特定環(huán)境和實(shí)際需求,以主要農(nóng)業(yè)動(dòng)植物、農(nóng)業(yè)微生物和農(nóng)業(yè)生態(tài)為綜合研究對(duì)象,從農(nóng)業(yè)水土環(huán)境、作物種質(zhì)、生物農(nóng)藥肥料等領(lǐng)域充分發(fā)掘農(nóng)業(yè)微生物的應(yīng)用潛力,助力實(shí)現(xiàn)我國(guó)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展?!?/p>
褚海燕認(rèn)為,我們不僅要研究微生物群落分布,還要研究微生物組和作物產(chǎn)量、品質(zhì)、生物固氮等功能之間的關(guān)系。通過(guò)生物信息分析、海量數(shù)據(jù)分析,識(shí)別關(guān)鍵微生物,然后分離培養(yǎng),通過(guò)微生物間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系篩選核心物種,構(gòu)建最簡(jiǎn)“微生物組”,最后通過(guò)菌群移植或合成菌群制劑來(lái)改良“非健康的土壤”,從而保證作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。
“農(nóng)業(yè)微生物研究不僅涉及土壤微生物,還應(yīng)關(guān)注農(nóng)作物自身的微生物組。”褚海燕說(shuō),“農(nóng)業(yè)微生物研究將在解決糧食安全、環(huán)境保護(hù)、全球變化以及人類健康等方面起著更加重要的作用。”