综述：植物-微生物组工程：协同微生物伙伴促进作物健康与可持续发展

这篇综述系统探讨了合成微生物群落(SynComs)在应对气候变化和农业可持续发展中的革命性作用，重点阐述了如何通过多组学整合、计算建模和合成生物学工具设计功能明确的微生物联盟，以增强作物抗逆性(如干旱、病害)、提高养分利用效率(NUE)并减少化肥依赖，为现代农业提供基于自然的解决方案(NBS)。

　　

筛选SynComs设计的 beneficial microbes

传统微生物筛选主要基于体外植物促生特性，如固氮、铁载体产生等，但往往难以在田间建立稳定互作。新一代测序技术揭示了微生物群落结构动态与植物基因型、环境的复杂关联。研究表明，基于"核心微生物组"概念筛选具有定殖优势的功能菌株（如玉米根际富集的粘液固氮菌）可显著提升SynComs稳定性。网络分析工具如iMeta、ggClusterNet可识别调控群落动态的"关键OTUs"，而培养基数据库KOMODO助力难培养菌株的分离。

设计与工程化定制SynComs

构建高效SynComs需遵循三步骤：首先选择与宿主共进化程度高的本土微生物（如香蕉内生菌群落使植株生物量提升53.9%）；其次通过宏基因组识别功能模块（如水稻硝酸盐转运蛋白NRT1.1B招募的微生物组）；最后优化菌株互作实现代谢互补。典型案例显示，含放线菌和绿弯菌的耐旱SynComs使玉米在干旱条件下增产30%，而固氮SynComs减少40%化肥使用。微生物网络分析揭示，黄杆菌等"枢纽菌株"可通过分泌2,4-二乙酰基间苯三酚(2,4-DAPG)等抗菌物质重构群落结构。

多组学整合驱动SynComs设计

突破培养限制的多组学技术（宏基因组/转录组/代谢组）可解码微生物功能网络。例如，大蒜根际宏基因组指导的SynComs设计显著提升产量；番茄根际黄杆菌通过转录重编程激活系统抗性。关键功能标记包括：CAZymes（碳水化合物活性酶）、苯丙烷类化合物、铁载体等。代谢互作研究发现，群落响应表型主导着几丁质降解菌群的互作网络，这为构建功能明确的简化群落（如5-7株核心菌）提供依据。

植物微生物组介导的免疫发育

植物通过MAMPs模式识别受体激活SA/JA/ET信号通路调控微生物组装配。从菌根共生中发现的"呼救"机制显示：干旱胁迫下植物分泌独脚金内酯吸引丛枝菌根真菌(AMF)，通过菌根诱导抗性(MIR)激活钙信号级联；而根瘤菌则通过ACC脱氨酶(ACCD)抑制乙烯前体，协调共生与免疫平衡。值得注意的是，植物能区分病原体与共生菌的MAMPs——黄杆菌TRM1通过III型分泌系统(T3SS)修饰效应蛋白，避免触发过强免疫反应。

评估SynComs对植物生长的影响

田间试验数据验证了SynComs的多重效益：小麦"有益关键菌群"使耐旱性提升2倍；连续耕作系统中SynComs降解根系有毒分泌物恢复土壤健康。表型组学技术（高光谱成像、RGB摄影）实现非损伤监测，如通过叶温变化评估微生物介导的水分利用效率。人工智能整合多组学数据可预测最佳菌群组合，如无人机监测显示土著菌群构成的SynComs具有"主场优势"。

工程化SynComs的工具箱

合成生物学工具实现微生物群落的精准调控：①群体感应(QS)系统（如lux-las操纵子）协调菌群行为，但存在信号串扰局限；②CRISPR/Cas系统在硫化叶菌等极端微生物中实现多重基因编辑；③电信号传导（如CHO细胞响应大肠杆菌挥发性乙醛）构建跨界通讯。最新进展显示，模块化设计（发送菌-接收菌体系）可编程控制代谢流，如酵母合成细胞分裂素IP调控相邻菌株基因表达。