“我现在担心的不是销量，而是产量供应不上。”河南新蔡县牛湾村益生菌水稻种植基地负责人彭高兴地说，“我家的生态水稻，4月份种秧苗的时候就全部预售完了。”
前不久，河南省新蔡县牛湾村益生菌水稻种植基地“收获季”如期举行。由于使用了益生菌技术，这种水稻在生长周期内的病虫率大大降低，不仅减少了化肥和农药的使用量，而且生产出的水稻籽粒饱满、色泽鲜艳、口感软糯、稻香持久。
牛湾村第一书记谢云说，这是河南省第一个在水稻种植中使用益生菌的农业技术项目。随着技术的推广和试种带来的效益，越来越多的村民想尝试这项技术，“明年种植面积会进一步扩大”。
微生物技术已经在农业增产增效的“战场”上悄然显示了自己的实力。
被忽视的权力
“微生物组作为宿主的第二基因组，长期以来处于相对被忽视的状态。”中国农业大学生物学院植物生理生化国家重点实验室教授徐玲告诉《中国科学报》。
在农业领域，世界各国的科学家都投入了大量的人力物力来研究农作物的功能基因，以改良植物性状，促进农业的可持续发展，保障粮食安全。目前已取得显著成效。
一方面，作物基因改良存在育种周期长等问题。另一方面，现在越来越多的研究发现，植物微生物组可以提高植物的抗旱、抗病等重要抗逆性，促进氮、磷等营养物质的吸收和利用效率，广泛参与调节植物生长和杂种优势等生物过程，影响最终作物的产量和品质。
“因此，下一步对‘作物-微生物组’作用机理的研究，将通过传统育种与微生物群落育种相结合，以及农业微生物技术产品的开发和应用，大大加速作物性状的改良。”徐凌说，“这将推动高产、优质、绿色、高效的现代农业发展，顺应国际农业生物技术发展趋势，也是提升我国农业科技核心竞争力、保障国家粮食安全、提高农业综合效益的重要技术支撑。”
中国农业科学院农业微生物资源团队首席科学家魏认为，农业微生物种质资源种类丰富，涵盖了细菌、真菌、病毒等重要类群，主要应用于肥料、食药、饲料、植保、农业环境等领域。微生物在探索发展高效、安全、资源节约、环境友好的现代农业中发挥着重要作用。
"特别是在绿色发展的背景下，农业微生物的应用迫在眉睫."魏说，“例如，解决‘地下储粮’的问题，就需要微生物的参与。固氮微生物等微生物肥料可以增加土壤中氮的来源，解磷解钾微生物可以分解土壤中不溶性的磷和钾，将其转化为作物可以吸收利用的磷钾化合物。”
此外，以微生物技术为纽带，通过农业废弃物的施肥、沼气、食用菌和饲料，将种植、养殖和居民生活紧密联系起来，可以减少环境污染，改善农村生态环境，发展农业循环经济，促进农业可持续发展。
微生物学的“好时光”
微生物学是指特定环境或生态系统中所有微生物及其遗传信息的集合，其中蕴含着丰富的微生物资源。
“全面系统地分析微生物组的结构和功能，将为解决人类面临的能源、生态环境、工农业生产和人类健康等重大问题带来新思路。”中国科学院南京土壤科学研究所研究员、中国科学院教授褚海燕告诉《中国科学报》，“然而，微生物组研究很大程度上取决于其技术和方法的发展。”
在高通量测序技术出现之前，微生物研究主要基于分离、培养、指纹等技术。然而，由于这些技术的缺点，人们对微生物的了解非常有限。本世纪初，微生物组技术的兴起，使得在DNA水平上直接分析环境中的整个微生物群落成为可能，开创了微生物分子生态学研究的新时代。随着高通量测序和质谱技术的突破，人们可以从DNA、RNA、蛋白质和代谢产物等不同层面分析微生物组，从而获得更全面的微生物组信息。
“目前，微生物组研究正处于从数量到质量、从结构到功能的关键转型期。”储海燕解释说，“微生物及其环境共同构成了复杂的微生物组，在支持生态系统过程和功能方面发挥着不可替代的作用。为了充分发挥微生物组在各个前沿领域的关键作用，迫切需要深入了解微生物组的结构和功能。”
目前，组学技术仍存在一些局限性。以宏观生态学为基础的理论和模型是否适用于微生物学领域，个体水平的微生物组研究是否适用于微生物组仍然没有明确的结论，仍然需要更多的微生物组数据来支撑。
“微生物不同于动植物等大型生物，单个微生物的作用微乎其微。而且环境中的微生物数量巨大，每克土壤中可能有上千个微生物。可以利用组学技术对它们进行整体研究，可以同时确定成千上万种微生物的群落组成、功能和关系。”储海燕说，“因此，微生物组研究要结合大数据、人工智能等技术，深入了解微生物的组成、多样性和时间空分布，深入挖掘微生物的功能和调控机制。如今，大数据和人工智能等技术的进步使微生物组研究进入了‘最好的时代’。”
善用“后发优势”
“目前国际上对植物微生物组的研究还处于起步阶段，大多集中在模式植物的理论研究上。利用作物进行田间应用实验的例子还很少，对农业生产环境中‘作物-微生物组’的相互作用机制知之甚少。”徐凌说，“在这种背景下，我国农业微生物组的研究正逐渐显示出后发优势。”
目前，我国农业微生物组技术体系已逐步完善，有一批年轻的、有创造力的人才，但“在前沿理论研究方面，总体处于滞后状态，更偏重于技术应用”，在基础研究、原创成果、顶尖人才、技术生态、基础平台、标准规范等方面，“离世界领先水平仍有显著差距”。
“因此，在科技强国目标和农业科技自主创新战略的指导下，要继续加大农业微生物组理论研究的投入，努力突破一批关键技术瓶颈，获得具有自主知识产权的技术体系。”徐凌说，“同时也要防止盲目跟风国际热点。要面向我国农业生产的特定环境和实际需求，以主要农业动植物、农业微生物和农业生态学为综合研究对象，从农业水土环境、作物种质、生物农药和肥料等领域充分挖掘农业微生物的应用潜力，助力实现我国资源节约型、环境友好型的现代农业发展。”
储海燕认为，不仅要研究微生物群落的分布，还要研究微生物群落与作物产量、品质、生物固氮等功能的关系。通过生物信息分析和海量数据分析，识别关键微生物，然后分离培养，通过微生物之间的网络关系筛选核心物种，构建最简单的“微生物组”。最后通过菌群移植或合成菌群制剂来改良“不健康土壤”，从而保证农作物的优质高产。
"农业微生物学研究不仅涉及土壤微生物，还涉及作物本身的微生物群落."储海燕说，“农业微生物学研究将在解决粮食安全、环境保护、全球变化和人类健康方面发挥更加重要的作用。”
来源:中国科学报作者:张双虎
