《Nature Food》| 微生物组驱动创新策略赋能气候韧性作物生产

气候变化正日益威胁全球作物生产，而传统农业方法未能充分挖掘植物与微生物之间的协同潜力。近年来，科学家提出以微生物组为中心、气候响应的创新思路，通过定向调控作物相关微生物组，增强作物对干旱、高温、盐碱等气候胁迫的韧性，同时减少农业温室气体排放，为实现可持续粮食系统提供了新路径。

2026年4月，西南大学马莹教授课题组联合中国科学院南京土壤研究所骆永明研究员在Nature Food 发表了题为 Microbiome-driven innovations for climate-resilient crop production 的论文。 研究系统梳理了气候变化如何重塑根际、叶际等微环境中的微生物群落，并首次提出了“气候指数化微生物组工程（CIME）”框架。这一框架将当地气候风险指标（如热浪、干旱、降水异常）直接纳入微生物组设计，结合预测建模与田间验证，形成迭代优化闭环，旨在稳定作物产量、提升养分利用效率并降低对化学农资的依赖。文章还强调，应通过微生物“野化”、全球微生物多样性保藏库建设以及“同一健康”框架，将微生物组创新真正融入气候智慧型农业与政策体系之中。

【导语】

在全球气候压力持续加剧的背景下，传统农业模式因对“植物–微生物”互作潜力挖掘不足，正面临生产力提升的关键瓶颈。该文提出以微生物组为核心的气候响应式调控框架，强调通过靶向设计和调控作物相关微生物组，系统增强作物抗逆韧性与农业可持续性。该框架为缓冲气候冲击、稳定粮食生产提供了一条具有高度可扩展性与适应性的创新路径。

【该文观点】

气候变化重塑微生物生态，威胁作物稳定生产

粮食系统贡献了全球约三分之一的温室气体排放，同时也深受气候变化的反向冲击。自2015年以来，持续高温与极端气候事件频发，使传统农业在干旱、热害及病虫害等多重胁迫叠加下逐渐难以维持稳定生产。相比植物本身，根际与叶际微生物群落对环境变化更为敏感。气候变化驱动的土壤酸化、盐碱化以及养分空间分布重构，会迅速改变微生物群落结构与功能，进而削弱其对作物的协同支持能力。尽管微生物群体能够通过生态演化调整功能以适应环境变化，但其动态响应机制尚未被系统解析，这在很大程度上制约了微生物资源在农业中的高效利用。

揭开作物–微生物协同调控的生态密码

作物及其相关微生物组本质上构成一个协同进化的整体生态系统，其稳定性与韧性依赖于宿主对有益微生物的选择性招募以及环境因素对群落结构的持续塑造。多样化的农业生态要素（如覆盖作物及景观结构）可通过提升微生物多样性，促进土壤健康、增强养分循环并降低温室气体排放。植物根系通过分泌复杂代谢物，构建“化学信号网络”，主动调控特定微生物的富集，从而形成应对环境胁迫的功能网络。对这一过程的精准解析与调控，依赖于分泌物组学、机器学习及多地点田间验证等跨学科技术的深度融合。近年来，微生物组再野化、野生近缘种资源利用以及合成微生物群落（SynCom）的构建，为恢复微生物功能多样性、增强作物抗逆能力提供了重要路径。由此，作物微生物组不再是简单的“敌–友”二元关系，而是一个动态演进、长期共生的韧性系统，这一认识为气候智慧型农业奠定了关键理论基础。

气候指数化微生物组工程框架推动精准农业变革

针对传统微生物策略中普遍忽视气候动态变化的问题，该文提出“气候指数化微生物组工程（Climate-Indexed Microbiome Engineering，CIME）”框架。该框架将微生物组设计与气候动态数据、作物产量与品质目标以及温室气体减排指标深度耦合（图1），实现从静态管理向动态调控的转变。具体而言，CIME首先基于场地特异性气候指数（如积温、标准化降水蒸散指数）及碳氮通量目标，设计定制化合成微生物群，并优化宿主–微生物协同选择策略；其次，通过整合季节气候预测与作物生长“实时数据”，构建决策支持系统，以优化微生物制剂的施用时间、剂量与载体形式；最后，依托标准化田间监测网络，利用统一指标系统评估作物稳产效果、温室气体减排潜力及土壤健康提升程度。通过“设计–验证–优化”的闭环迭代机制，CIME能够实现微生物干预对气候变化的精准响应。相较于传统忽视环境动态的微生物应用策略，该框架代表了向气候智慧型农业转型的重要范式跃迁。

图1 “同一健康”框架下旨在实现作物气候韧性生产的气候指数化微生物组工程

跨学科融合与政策创新铸就农业绿色转型

微生物组创新的深入发展有赖于多学科的协同推进，尤其需要与人工智能、生态学、遗传学及农学等领域深度融合，从而实现农业管理由被动响应向主动优化转变。同时，构建全球微生物组多样性资源库，作为生态修复与技术共享的重要基础，是保障技术公平可及性的关键。当前，微生物技术的商业化应用仍面临政策碎片化、注册流程复杂及环境依赖性强等多重挑战。因此，有必要推动建立更加高效的审批机制、安全可控的数据共享体系以及跨区域协同的政策框架，以促进技术快速转化并惠及小农户群体。在“同一健康（One Health）”理念引导下，土壤、作物与人类健康被视为相互关联的整体系统，微生物组创新有望成为推动农业可持续发展与人类健康协同提升的重要引擎。