南京农业大学张瑞福团队Trends in Microbiology观点 | 动力学模型驱动的合成菌群理性设计

农业合成菌群的需求与挑战

植物益生菌在促进植物生长、活化土壤养分、增强植物抗逆性和抑制病害等方面发挥重要作用。但在实际农业场景中，单一菌株的定殖和功能发挥往往高度依赖植物类型、土壤条件和土著微生物组背景，因此难以在各种复杂环境中保持稳定效果。与此同时，现代农业对微生物投入品的要求不断提高，不仅期待其具备促生增产作用，还希望兼具病害抑制、抗逆适生、养分活化和污染修复等复合功能。在这一背景下，由多种功能互补菌株构成的SynCom逐渐成为新一代农业微生物技术的重要方向。

当前，SynCom构建主要依赖“自上而下”（Top-down，TD）和“自下而上”（Bottom-up，BU）两种策略[1]。前者通过简化自然群落保留核心类群，虽具生态合理性，但功能广度受限且难以跨生境稳定；后者则基于菌株特性进行理性组合，但在实践中往往受限于粗糙的生态学预设（如避免拮抗或增加多样性）。即便采用TD-BU混合策略，由于整体上仍延续“以菌株为核心”的设计逻辑，缺乏对“植物-微生物-土壤”连续体中生态动力学过程的系统考虑，农业SynCom在不同植物和土壤的条件下的大尺度稳定性仍然不足。

真实稳定共存群落：是合成菌群设计的重要模板

农业SynCom设计首先需要回答的，并不是“哪些菌株有益”，而是“什么样的群落能够在真实环境中稳定共存并持续发挥功能”。长期以来，植物微生物组研究往往将与促生、抗病或抗逆表型相关的根际或叶际群落视为功能整体，但这些群落在不同植物个体、不同土壤和不同空间尺度下往往呈现高度异质性，未必构成真正稳定的生态单元。由此，区分“统计共现”与“机制稳定”便显得尤为关键，研究重心也应转向那些能够在特定宿主和环境筛选下长期维持组成与功能的真实稳定共存群落[2,3]。

围绕这一目标，可操作性较强的策略主要有两种(图1a)：一是在植物连续传代筛选体系中，识别那些在多代植物和土壤共同作用下持续重建并保持的群落；二是在模拟根际条件的稀释-消亡共培养体系中，通过连续富集筛选出成员丰度长期稳定的低复杂度群落。相比基于相关性分析得到的“共现模块”，这类群落更有可能反映真实稳定机制，因此更适合作为农业SynCom设计的生态模板和机制研究起点。

图1 多功能稳定合成菌群设计框架与支撑平台

动力学模型：把复杂微生物组从现象描述推进到可预测设计

在获得稳定共存群落之后，关键问题便转到“这些群落为何能够稳定存在，以及如何将这种稳定机制转化为可设计规则”。生态动力学模型正是在这一环节发挥核心作用。广义Lotka–Volterra模型、消费者-资源模型和高阶互作模型等，为理解微生物群落动态提供了重要理论工具。植物调控（免疫和分泌物等）、土壤环境过滤（pH、温度和水分等）和微生物群落内部互作（资源竞争、代谢合作、干扰竞争和高阶互作等）过程（图1b）共同构成农业微生物群落稳定维持的重要动力学基础[4-8]。

与依赖经验的菌株组合相比，动力学模型能够将复杂互作转化为可计算过程，从而预测不同群落在特定植物和环境条件下的动态变化、稳定性和功能输出。由此，农业SynCom设计的关键不再是简单叠加菌株或功能，而是识别群落稳定性的真正动力学来源，并将其纳入设计框架（图1b）。与此同时，多组学不应仅被视为功能注释工具，更应成为连接菌株信息与群落动态的参数基础。通过整合基因组、转录组、代谢组等信息，尤其是借助基因组尺度代谢模型，可以更精细地推断菌株的资源利用谱、代谢交换潜力、拮抗能力以及功能分工[9,10]，从而为群落建模提供更接近真实生态过程的约束条件（图1b）。

在这一思路下，稳定共存群落可作为经验锚点，植物-微生物-土壤互作构成机制背景，多组学数据和代谢模型提供菌株功能和互作的定量描述，最终支撑目标SynCom的高通量模拟、筛选和优化。一个简化的设计流程是：首先界定根系分泌物等关键资源环境，筛选具备高质量基因组信息的候选菌株，利用代谢模型评估其资源利用和功能潜力，再通过消费者-资源等模型比较不同组合在长期动态中的稳定性与多功能性，最后进入盆栽和田间验证。这一路径为农业SynCom从经验组装走向计算辅助设计提供了清晰范式。

迈向产业化落地：资源、设计与制造三大平台协同支撑

SynCom问题并不只是生态学问题，而是贯穿资源获取、模型构建、设计优化、生产制造和应用反馈的完整技术链条。要推动SynCom真正服务于可持续农业，需要同步建设三类互补平台（图1c）。其一，微生物资源与信息平台，用于整合植物相关菌株资源、高质量基因组、多组学数据以及有益功能注释，为后续设计提供基础数据库；其二，SynCom设计与服务平台，作为模型驱动设计的核心枢纽，支持稳定性评估、功能打分、方案优化及面向不同作物和土壤条件的定制化设计；其三，SynCom共发酵与制剂平台，负责将实验室设计的菌群转化为可规模化、低成本且批次稳定的实际产品。

其中，共发酵与制剂开发是农业SynCom应用中最容易被忽视、却直接决定产业化成败的关键环节。只有当设计出的菌群不仅能在植物体系中稳定发挥作用，也能适应工业化培养、制剂加工与储运条件时，SynCom才真正具备进入农业生产实践的可能。因此，SynCom的未来发展不只是“找菌”或“配菌”，而是需要资源、建模、设计、发酵、制剂和应用反馈协同推进的完整工程体系。

总结

未来SynCom研究的关键突破，不仅在于继续累积更多潜在有益菌株，更在于建立一个以稳定共存群落为起点、以多组学约束下的动力学模型为设计核心、并由平台化制造体系支撑的系统框架。这一框架不仅有助于解释现有微生物制剂田间效果不稳定的原因，也为构建可预测、可重复、可规模化的农业微生物组工程体系提供了新方向。随着稳定群落发现、机制解析、模型发展和平台建设的不断推进，农业SynCom有望从探索阶段逐步走向真正面向可持续农业应用的成熟技术体系。

相关研究发表在Cell Press细胞出版社旗下期刊

Trends in Microbiology,

点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

推荐阅读