【LorMe周刊】如何科学地开发土壤微生物菌剂？

作者：张潞潞，南京农业大学硕士在读，主要研究益生元配合有机肥防控土传病害。

周刊主要展示LorMe团队成员优秀周报，每周定期为您奉上学术盛宴！本期周刊为您介绍开发微生物菌剂中的内在矛盾。原文于2019年发表在Trends in Biotechnology。

导读

多年来，人们一直试图通过接种功能微生物来提高农作物的产量。随着测序技术的进步和对微生物群落研究的不断加深，工业和学术界对菌剂开发的投入越来越多，这些菌剂的使用不仅可增加作物产量，还可减少杀虫剂的使用。然而，土壤微生物菌剂的功效仍不够稳定，因为人们往往根据微生物菌剂在实验室中的活性和是否便于大规模栽培进行筛选，却很少考虑微生物菌剂的环境兼容性或者是否在土壤中过度存在。由此，本文提出了在产品开发和应用阶段关于微生物菌剂变化的整体时间模型，并强调了各阶段间可能存在的潜在冲突。

土壤微生物菌剂的开发

虽然土壤微生物菌剂早在20世纪初就已开始在市面上销售，然而直到最近，相关的农业生物技术公司才大幅增加对这些产品的投资。尽管对土壤微生物菌剂的研究已进行了数十年，但在其广泛应用之前仍存在相当大的障碍，其中包括菌剂稳定性差及其结果难以评估的问题。此外，开发有效微生物菌剂的困难在于产品研发周期过长且多样。总体而言，微生物菌剂的开发必须经过至少五个产品阶段：(1)捕获和优化、(2)生产、(3)定殖、(4)功能发挥、(5)下游影响(图1)，这些阶段需要不同的、甚至是相反的微生物特性。例如（图1下），菌株的性状1利于其被捕获和生产，但无法利于其在土壤中的定殖，对下游功能的影响也未知。这种性状可理解成浮游生物能够在营养丰富的环境中生长但无法在环境中有效存活。性状2可能具有较高的持久性，使其在不同的产品阶段均有较高的存活率；但是如果其存活时间超出其发挥功能的时间，则会使下游的监测工作复杂化。性状3能够使菌株在特定的土壤中会与其他物种竞争，这使得下游的监测和控制工作变得复杂，也限制了该物种的大规模生产。

图1 土壤微生物菌剂的生命阶段(上)和各阶段之间微生物特性的权衡 (下)

阶段1：捕获和优化

微生物菌剂的开发通常从环境微生物的分离培养开始，理想的土壤微生物菌剂具有易于培养、便于产品评估和批量生产的特点。在微生物菌剂开发过程中需考虑哪些特征是筛选功能微生物的重点，哪些性状可以通过定向选择来获得，哪些性状取决于初始微生物库，都是需要考虑的因素。定向选择的过程中，微生物为了权衡利弊可能会遗传一些不良性状，这需要进一步筛选未知的性状组合。许多证据表明，细菌的权衡可能在一个或多个阶段限制了接种的成功率(表1)。为了避免在选择物种的过程中限制了下游接种扩繁的工作，优化工作应集中于筛选对微生物定殖或生存至关重要的性状(第3 - 4阶段)，以及有望促进作物生长或改良土壤健康状况的性状。

表1 与土壤微生物菌剂接种成功有关的“权衡”

阶段2：生产

在培养过程中分离出有用的菌株，进行温室和田间试验。理想的土壤微生物菌种能在液体培养基中迅速生长，以便能有足够的生物量施入土壤中，同时可将生产成本降至最低。另外，在批量生产后需要菌种在长期的贮存中能够保持活性，这可能需要菌种具有对粘合剂、农用化学品以及储存配方的耐受性。能够使用干燥配方保存的微生物通常是首选，因为液体配方通常保质期较短、污染风险较高，且需要冷藏。某些细菌(如芽孢杆菌)产生的耐压孢子即能适应干燥配方，又能促进菌剂在环境中的持久性。然而，不产孢子的细菌在干燥配方过程中却会破坏细胞膜，从而导致活细胞的减少。

阶段3：定殖

为了让微生物能够在各种非生物和生物胁迫下快速增殖，农用菌剂通常通过多种途径施用（如直接施入土壤中、种子包裹或施入花粉中）。理想的土壤微生物菌剂能在环境中有效且稳定地定殖。但由于土壤的异质性，各种非生物因素（包括土壤pH、水分、质地、养分和盐度等）可影响菌种定殖，因此不可能开发出适用于每种土壤类型的菌剂，这也将大大增加阶段1 - 2的生产成本和复杂性。在这种情况下，使用合成菌群作为菌剂可能会提高其功能稳定性。此外，土壤土著微生物群落可通过资源利用重叠度、优先效应和促进作用等机制影响菌剂的定殖。如果接种菌剂的生态位由土壤土著微生物占据，那么菌剂的定殖成功率会下降。土壤中的噬菌体、微生物捕食者和其他高级生物也可能影响接入菌剂的定殖。因此，接种菌剂对特定环境的适合性取决于土壤中已存在的土著生物群落。

阶段4：功能发挥

理想的土壤微生物菌剂可以在不同的土壤类型、环境条件和作物品种中发挥目标作用。但这是一个巨大的挑战，因为微生物为适应某一特定条件可能会进行生存的权衡，从而降低该菌剂在其他条件下的存活率。即使菌种在土壤中定殖（第3阶段）效果良好，也可能无法达到预期效果。因为微生物受根系分泌物感召定殖于根际，在不同的植物根际和环境中根系分泌物的差异很大，对微生物定殖也会造成很大影响。因此，在错误的时间或在不适宜的作物上使用菌剂可能限制其在根际定殖。此外，微生物是否表达其有益的性状会受到植物和土壤条件的影响，在体外筛选（阶段1）和原位成功使用两个阶段间存在严重的脱节。所以，为了提高菌剂的稳定性，应在相关土壤和种植条件下筛选潜在的菌剂，以了解菌剂可能的原位功能范围和影响功能的适应性的因素。

阶段5：下游影响

在该阶段中，长期接种对环境的影响无疑受到忽视。鉴于我们对大多数土壤微生物的生态和扩散特性的了解有限，继续探索现有和未来的产品是否存在副作用十分关键。理想的微生物菌剂应只在目标功能期内持续存在，不会对人类健康或周围环境产生负面影响。

合成菌群是理想的菌剂吗

与单一菌株相比，应用合成菌群可能会增加菌种存活的概率和增强其功能的发挥。运用合成菌群作为菌剂可能比单一菌株更容易定殖，因为合成菌群中可能存在避免与土著微生物发生强烈竞争的菌株。尽管合成菌群可以通过携带冗余或互补功能的菌株建立多样化的群落，但该群落如何在各种环境中定殖，以及某些菌株的定殖是否会限制其他菌株功能的发挥也尚不得知。通常来讲，具有运动性、快速生长和快速扩散等性状的菌株能在不同的土壤条件下有效定殖。

在某些情况下，相比于单菌，合成菌群具有更为复杂的功能。在不同系统中的研究已证明，使用合成菌群可以促进植物的生长。此外，合成菌群各菌株之间功能的互补可能会发挥更有效的作用。虽然合成菌群有助于维持菌株之间的相互作用，但尚不清楚这些相互作用是否会因环境的变化保持恒定，而且针对不同土壤条件，人工合成具有协同作用的菌群也会使菌株的筛选和菌剂的生产过程更为复杂。

总结

在农业和人类健康方面，微生物菌剂的应用仍持续面临挑战，寻找新的方法来促进微生物的定殖和原位功能的持久性仍然是目前研究的首要任务。微生物菌剂需要在不同的环境条件下生长，包括第1阶段需要在实验室条件下培养，而之后将应用于不同的土壤环境，这就造成了微生物在整个生命周期中生存和功能表达的冲突，这种冲突可能会缩短菌剂预期的使用期限。由于不同的微生物菌剂所发挥的作用不同，理想的土壤微生物菌剂的功能可能是多种多样的。筛选方法的改良、商业化的生产以及贫营养型微生物的应用等新方法应该有助于开发不同的微生物菌剂。

论文信息

原名：The Inherent Conflicts in Developing Soil Microbial Inoculants

译名：开发土壤微生物菌剂的内在矛盾

期刊：Trends in Biotechnology

IF₂₀₂₀：13.578

发表时间：2019.2

通讯作者：Laura M.Kaminsky

通讯作者单位：宾夕法尼亚州立大学