在气候变化、粮食需求激增和资源短缺的多重压力下，全球农业正面临前所未有的挑战。传统农业实践已难以适应未来需求，而全球变化不仅加剧了农业生产的不稳定性，还通过改变环境条件深刻影响着植物与微生物之间的相互作用。植物病害每年导致大量农作物损失，而供应链中的浪费进一步削弱了粮食安全保障能力。更为复杂的是，气候变化正在改变病原菌的分布范围、宿主适应性和致病性，导致一些曾经次要的病原体重新成为严重威胁，同时引发了许多病因不明的复杂植物综合征。
这些新出现的植物健康挑战往往超出了传统的"单一病原体-单一疾病"框架，需要全新的研究视角和解决方案。在此背景下，植物全生物体（holobiont）生物学这一新兴范式应运而生，将植物与其相关的所有微生物群落（包括细菌、真菌、古菌、病毒和染色体外遗传元件）视为一个完整的生物学单元。这一视角颠覆了传统植物保护的思维模式，强调植物健康不仅取决于植物本身，还与其微生物组的组成和功能密切相关。
在《Horticulture Research》发表的这篇综述中，研究人员系统探讨了全球变化时代下植物健康面临的新挑战，并提出了基于微生物组的创新解决方案。研究指出，全球变化通过温度升高、干旱加剧和大气CO2浓度增加等途径，正在改变植物微生物组的组装过程和功能表现，进而影响全生物体的健康状态。
研究人员重点分析了三类关键挑战：复杂植物综合征、（再）发植物病害和植物微生物组失调。复杂植物综合征如猕猴桃藤蔓衰退综合征（KVDS）往往具有不明确的病因，难以用单一病原体解释。而全球变化导致的极端天气事件和农业实践变化为弱势病原体创造了有利条件，使其在果园和森林中成为严重威胁。同时，环境压力因素可能破坏植物调控其相关微生物群落的能力，导致微生物组失调（dysbiosis），进而形成促进疾病发生的致病组（pathobiome）。
为应对这些挑战，研究人员探讨了多种微生物组管理策略。植物在受到生物胁迫时会通过改变根系分泌物来招募有益微生物，这一"求助"（cry-for-help）机制为微生物组工程提供了理论基础。基于此，研究人员提出了多种微生物组解决方案，包括施用单一有益微生物、构建合成微生物群落（Synthetic Community, SynCom）、进行微生物组移植以及直接应用植物根系分泌物等。
特别值得关注的是，合成微生物群落（SynCom）展现出巨大潜力。与单一菌株相比，由5-15种微生物菌株组成的SynCom在促进植物生长和健康方面表现出协同效应，已成功应用于防治番茄枯萎病、棉花黄萎病和黄瓜根结线虫病等多种病害。同时，结合全基因组关联分析（GWAS）和微生物组关联分析（MWAS）的育种策略，使得同时选育作物及其微生物组成为可能，为培育适应特定环境条件的作物-微生物组合开辟了新途径。
在技术方法方面，本研究主要采用了全组学（holo-omics）框架整合多维度数据，应用机器学习（ML）算法分析微生物组特征，通过合成群落（SynCom）构建与验证进行微生物组工程，并利用微生物组移植技术验证疾病抑制性，同时结合基因组/微生物组关联分析（GWAS/MWAS）解析宿主-微生物组互作机制。
全球变化与植物全生物体健康的新挑战
研究表明，全球变化因素如气候变暖、干旱和大气CO2浓度升高，会对植物、土壤微生物组及其相互作用产生深远影响。变暖会重塑植物微生物组，减少多样性并增加病原体负荷，同时迫使植物调整生理状态，削弱全生物体应对高温和其他胁迫的能力。干旱则显著改变植物相关微生物群落的结构和功能，通常降低根际和根系微生物组的总体多样性，选择耐旱类群，同时植物通过激活胁迫信号通路和增加渗透保护物合成来应对水分短缺。大气CO2浓度升高通过改变根系分泌物模式和微生物可用资源来重塑植物微生物组，虽然初期刺激植物光合作用，但长期暴露会导致光合驯化，削弱初始增益。
失调的植物微生物组
全球变化不仅影响植物-病原体相互作用，更广泛地影响植物-微生物组相互作用。当宿主植物失去调控其相关微生物群落的能力时，就会发生微生物组失调，这可能由全球变化驱动的外部胁迫因素导致。失调的微生物组虽不直接引起疾病，但其特定组成可为病原体感染植物组织提供便利，或导致致病组（pathobiome）的形成，这是一种促进疾病的植物微生物组配置。值得注意的是，一些病原体可以将诱导失调作为其致病策略的一部分，通过调控宿主微生物组创造有利于病原体的生态位。
复杂植物综合征
复杂植物疾病如衰退病和枯死病，通常具有不明确的病因，落在单一病原体-单一疾病范式之外。猕猴桃藤蔓衰退综合征（KVDS）是复杂病因植物综合征的典型例子。早期假说指出气候变化是推动该病症传播的主要因素，后续研究表明KVDS具有生物起源。气候变化和减少排水的农业实践可能诱导植物全生物体的进一步胁迫，创造有利条件使弱势病原体在果园中成为严重威胁。类似事件在森林中更为常见，多项报告表明随着气候条件的变化，树木衰退和枯死的发生率正在增加。
（再）发植物病害
气候的重大变化可以促进对植物全生物体健康新威胁的出现，包括那些在新的有利微生物组和气候条件下可以出现或重新出现成为作物和森林严重威胁的病原体，而这些病原体以前无关紧要或可管理。例如，Phytophthora nicotianae对番茄和马铃薯植物，以及Diplocarpon coronariae对苹果树就是这种情况。全球变化和集约农业实践还可以推动植物病原体宿主范围的扩大和宿主植物易感性的增加，最终导致疾病在更广泛的宿主上出现。
微生物组解决方案
多项研究表明，植物会改变其微生物组的多样性和结构以响应生物胁迫。这些研究利用"求助"模型将植物微生物组的胁迫诱导变化与植物代谢组的变化联系起来，表明这些变化对植物有益，因为它们有助于招募有益微生物。虽然大量研究支持植物诱导的微生物组组成变化可以缓解胁迫因素或负面影响病原体的观点，但只有少数研究直接将胁迫后根系分泌物的变化与根系分泌物变化导致的植物微生物组变化联系起来，并进一步与对植物的有益后果相关联。
合成微生物群落（SynCom）显示出巨大的应用前景。这些由少量微生物菌株（约5-15株）组成的群落，在影响植物生长和健康方面表现出比单一菌株更高的活性。SynCom已成功组装用于防治番茄、花生和西瓜中的真菌病原体Fusarium oxysporum，以及提供对番茄中Botrytis cinerea的保护、棉花中的黄萎病防治等。
除了SynCom，新的策略正在被部署通过管理植物微生物组结构和功能来增强作物生产，包括微生物组移植。在这种情况下，易感植物基因型或疾病 conducive 土壤接种来自抗性植物基因型或疾病抑制性土壤的微生物群落，产生的土壤或宿主相关微生物组结构可以保护植物免受病原体侵害。
如果将植物视为全生物体，我们开始理解它们的健康和生产力与其微生物组的组成和功能密不可分。然而，植物育种和植物-微生物组相互作用通常是应用植物生物学中两个独立对待的方面。作物育种通常通过映射基因组中位点与表型性状之间的关联来指导，这也可以应用于微生物组。结合GWAS（全基因组关联研究；宿主）和MWAS（微生物组全关联研究；微生物组），我们可以识别与微生物组结构/功能相关的植物基因，以及与植物表型相关的微生物类群或基因。
大数据、大型模型、新框架
融合微生物生态学、植物病理学和许多农业科学带来了技术和理论挑战。例如，研究全生物体需要生成宿主（基因组、转录组、蛋白质组）及其所有微生物关联物（宏基因组、宏转录组、宏蛋白质组）的数据，以及两者用于产生相互作用的代谢组。这就是为什么全组学（holo-omics）等框架有助于指导对植物全生物体的理解，并更深入地挖掘在稳态（对照）条件下和受到病原生物威胁时调控它的机制。
人工智能（AI）因大型语言模型的传播而获得巨大发展势头，它在理解全生物体和利用微生物组解决方案方面可以发挥关键作用。事实上，人工智能领域可用的工具之一是机器学习（ML），它可用于从广泛复杂的数据集中学习模式，并在提供新输入时生成预测。ML已在植物病害检测中找到应用，使用来自高光谱成像等遥感技术的数据，可以检测植物的早期胁迫响应并识别特定病原体。
研究结论与意义
全球范围内的研究人员呼吁采用微生物管理和微生物解决方案来应对全球变化的威胁，通过全生物体生物学的视角理解植物健康，代表了应对全球变化和可持续农业双重挑战的变革性一步。与传统框架不同，全生物体生物学可以支持复杂综合征和新兴疾病的管理。这种整体视角使得创新的、基于微生物组的策略成为可能，这些策略可以增强植物韧性，减轻病原体威胁，并减少对环境有害的农用化学品的依赖。
通过全组学和机器学习等工具，我们现在可以揭示植物全生物体内的复杂相互作用，实现以前难以想象的规模上的预测性和主动性解决方案。这些解决方案直接与全球当务之急保持一致，例如联合国可持续发展目标，通过促进粮食安全、生物多样性保护和气候智能型农业实践做出贡献。
为了充分发挥微生物组策略的潜力，我们必须优先考虑扩大这些创新规模，将其纳入政策，并促进跨学科合作。研究人员和利益相关者必须共同努力推动这一领域发展。实际的后续步骤包括通过行业合作伙伴关系扩大微生物组解决方案，在不同气候条件下进行大规模田间试验，以及将微生物组管理纳入可持续生产的全球政策议程。这些努力将确保微生物组科学的潜力转化为现实世界的影响，推动朝着有韧性和可持续的农业系统取得进展。
随着农业日益面临气候多变性和资源稀缺的压力，拥抱全生物体生物学为重新构想既高产又可持续的作物系统提供了一条路径。这一范式不仅加强了我们对植物健康的理解，而且与更广泛的"一体健康"框架保持一致，解决人类、植物、动物和生态系统相互关联的福祉。通过培养这种新的理解，我们可以确保农业在全球变化面前蓬勃发展，确保一个具有韧性和可持续的未来。
