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農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)是人為操控的最為復(fù)雜的系統(tǒng)之一，因?yàn)樗怯纱笮蜕铮ㄈ缰参锖屠ハx）和無數(shù)微生物之間(例如，細(xì)菌、古生菌、原生生物和真菌)形成的相互聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)組成(圖1)。由于新型病蟲害的出現(xiàn)、氣候劇烈變化以及化肥的大量施用所造成的環(huán)境破壞正嚴(yán)重威脅著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性，科學(xué)家們現(xiàn)在面臨著前所未有的挑戰(zhàn)，那就是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最大化地開發(fā)這些微生物群落（微生物組）的功能。面對到2050年全球作物需求翻番的情況，要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要制定快速且直接的解決方案。利用微生物提高植物對養(yǎng)分的吸收和對生物和非生物脅迫的抵抗力，是為數(shù)不多的解決農(nóng)業(yè)可持續(xù)性問題的機(jī)會之一。

“核心微生物組”是指可以完善植物個體水平和生態(tài)系統(tǒng)水平的微生物功能并在相互作用中成為核心的一類微生物(圖2)。這一類微生物是形成植物相關(guān)微生物組的關(guān)鍵，而不僅僅是促進(jìn)宿主植物自身的生長。如果正確部署，這些核心微生物組成員將通過招募具有不同功能的土著微生物來調(diào)節(jié)植物-微生物和微生物-微生物的相互作用并抑制田間存在的植物病原菌(圖2)。成為“核心微生物組候選者”需要具備三個特點(diǎn)：(1)具有招募某些特定功能的土著微生物的能力；(2)本身具有或者可以招募具有阻斷病原體或害蟲感染的微生物的潛力；(3)具有協(xié)作強(qiáng)化功能的能力，即成對或者成組共存的核心微生物，其功效會加強(qiáng)。(詳細(xì)評定指數(shù)請見原文)

微生物組類型的概念，是有微生物組結(jié)構(gòu)的離散或半離散性質(zhì)(圖3a、b)提出的。最早出現(xiàn)在人體腸道研究中，根據(jù)不同人的腸道菌群落組成不同，可以劃分為不同類型的“腸道菌群”與之相似的是，最近的研究也表明，與植物相關(guān)的微生物群落通常根據(jù)作物品種甚至種植方法也會分為不同類型。一般來說，將一個生物群落從平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)移到其它狀態(tài)需要特定的環(huán)境擾動。這就是為什么很難將一種與疾病相關(guān)的微生物組類型改變?yōu)榻】档奈⑸锝M，因?yàn)槲⑸锝M往往具有抵抗力和彈性，在外界干擾或加入的新物種消失后則會恢復(fù)到與之前相似的群落結(jié)構(gòu)。因此，改變已建立的微生物組類型仍然是我們對于微生物組管理的主要挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，將已建立的微生物群落結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槲覀兯枰慕Y(jié)構(gòu)不一定是植物微生物組管理的主要目標(biāo)。由于大多數(shù)作物種類都是一年生植物，它們的早期發(fā)育階段很容易控制，因此我們可以把精力集中在建立和維護(hù)良性微生物群落結(jié)構(gòu)上。

在植物微生物組裝配中，早期定殖過程的微小差異，例如物種到達(dá)的順序等，都會導(dǎo)致群落結(jié)構(gòu)的巨大差異（即優(yōu)先效應(yīng)）。在組裝過程中，早期定殖者通常具有優(yōu)勢，因?yàn)樗鼈兛梢员绕渌⑸锔绲乩每臻g和資源，產(chǎn)生抗生素或利用物理屏障來阻礙后續(xù)微生物的定殖。接下來討論問題是如何利用優(yōu)先效應(yīng)來控制早期微生物群演替中的隨機(jī)過程(圖3c)?；趦?yōu)先效應(yīng)的植物微生物組管理可通過三個過程執(zhí)行：首先，必須優(yōu)先招募有益微生物物種，而這些有益微生物物種可以招募許多其他具有理想功能的微生物物種。其次，微生物組的優(yōu)先組裝也為阻斷病原體或害蟲感染提供了基礎(chǔ)。在優(yōu)先效應(yīng)的條件下，常駐（早期定殖）的微生物可以減緩或防止后期定殖者的入侵來實(shí)現(xiàn)對病原體或害蟲的阻斷。最后，確定相互之間形成強(qiáng)大促進(jìn)和互惠相互作用的成對或成組的核心微生物（即核心微生物組，圖2）可以進(jìn)一步加強(qiáng)這種招募和阻斷功能。

為了概述微生物組復(fù)雜性的程度，基于高通量DNA測序的許多生物信息學(xué)方法已經(jīng)被發(fā)展來分析微生物多樣性和相互作用網(wǎng)絡(luò)。鑒于潛在的微生物-微生物關(guān)聯(lián)的數(shù)量巨大，用于分析網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的統(tǒng)計是必不可少的?？梢苑譃閮深?。一種是基于微生物組結(jié)構(gòu)的“快照”信息，在這種信息中，可以對每一對微生物物種的共存（或不共存）跡象進(jìn)行統(tǒng)計檢驗(yàn)。這些快照分析適用于揭示微生物-微生物共生的模式，這可能表明微生物物種之間的相互作用或共享的環(huán)境偏好（即生態(tài)位重疊）；另一些新興的時間序列群落分析分析方法(例如，empirical dynamic modelling、sparseS-map和transfer entropy)有可能揭示微生物-微生物相互作用的動態(tài)變化。

專注于核心微生物組的新興研究將提供調(diào)節(jié)植物與其外部生物和非生物環(huán)境之間相互作用的方法。然而，微生物的多樣性和功能，以及微生物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在很大程度上取決于作物物種/品種和田間條件（例如，常駐土壤生物種群、顆粒大小、pH、養(yǎng)分可用性和耕作周期等）。因此，我們需要加速信息學(xué)和田間監(jiān)測之間的反饋，以了解如何通過與身份相關(guān)的功能的可預(yù)測性來確定作物產(chǎn)量（例如，地點(diǎn)或作物物種之間最佳微生物組的門或目級組成的相似性）和常駐微生物組組成和功能的區(qū)域性。此外，農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的生物/非生物條件會隨著時間的推移而變化，這可能對核心微生物組引入的成功與否產(chǎn)生重大影響。在此之后，微流體、人工智能和計算機(jī)科學(xué)的最新技術(shù)進(jìn)步如何整合到下一代農(nóng)業(yè)中，通過這些，我們可以提出針對當(dāng)?shù)剞r(nóng)場和種植園的實(shí)時條件進(jìn)行優(yōu)化的核心微生物組（圖4、圖5）。