在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，堆肥作為一種環(huán)保的農(nóng)業(yè)廢棄物處理方式，能夠?qū)⒂袡C(jī)廢棄物轉(zhuǎn)化為肥料，并改善土壤質(zhì)量。然而，木質(zhì)纖維素是堆肥中的難降解成分，其降解效率的提升一直是研究難點(diǎn)。合成微生物群落（SynCom）的應(yīng)用，特別是在木質(zhì)纖維素降解中的作用，逐漸成為提升堆肥效率的關(guān)鍵策略。同時(shí)，作物的健康生長與土壤微生物群落的平衡密切相關(guān)。合成菌群通過調(diào)控根際微生物群落，增強(qiáng)作物的營養(yǎng)吸收和抗逆性，從而促進(jìn)作物生長和抗病能力。因此，優(yōu)化微生物群落結(jié)構(gòu)和功能，不僅能提升堆肥質(zhì)量，還能促進(jìn)作物生長，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究的前沿課題。
近日，中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所李德軍研究員團(tuán)隊(duì)在合成菌群促進(jìn)堆肥物質(zhì)轉(zhuǎn)化及作物生長領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。最新三篇研究成果顯示，合成菌群（SynCom）在堆肥過程中可顯著提升木質(zhì)纖維素降解效率，并進(jìn)一步促進(jìn)作物生長。
首先，研究團(tuán)隊(duì)揭示了合成菌群在堆肥高溫期對木質(zhì)纖維素降解的重要機(jī)制。SynCom接種有效降低了木質(zhì)素、纖維素和半纖維素含量，并顯著提高了關(guān)鍵降解酶（如漆酶、錳過氧化物酶、纖維素酶和木聚糖酶）的活性。此外，宏基因組學(xué)分析表明，合成菌群顯著增強(qiáng)了與碳水化合物代謝、氨基酸代謝、維生素代謝及能量代謝相關(guān)的微生物代謝途徑，從基因水平優(yōu)化了堆肥過程中微生物群落的結(jié)構(gòu)與功能。這一成果已發(fā)表在Chemical Engineering Journal期刊，第一作者為陳雙雙，標(biāo)題為Synthetic microbial community enhances lignocellulose degradation at the composting thermophilic phase: metagenomic and metabolic pathway insights（圖1）。
其次，合成菌群通過調(diào)控真菌群落進(jìn)一步強(qiáng)化堆肥物質(zhì)轉(zhuǎn)化。研究發(fā)現(xiàn)，SynCom接種提高了Cephaliophora、Thermomyces等關(guān)鍵真菌屬的相對豐度，并顯著增加了與木質(zhì)纖維素降解密切相關(guān)的功能類群，如木材腐生菌、未定義的腐生菌以及凋落物腐生菌的活性。此外，關(guān)鍵物種Hydropisphaera（OTU10）的顯著富集被證實(shí)為降解木質(zhì)纖維素的重要驅(qū)動因子，顯著提升了堆肥后成熟期的有機(jī)肥質(zhì)量。該研究成果發(fā)表于Bioresource Techonology期刊，第一作者為劉秋梅，標(biāo)題為Synthetic microbial community enhances lignocellulose degradation during composting by assembling fungal communities（圖2）。
此外，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步探索了合成菌群在促進(jìn)辣椒生長上的應(yīng)用。合成菌群接種顯著提高了辣椒植株的株高、莖粗、葉片數(shù)量、葉綠素含量及根系活力。高通量測序結(jié)果顯示，接種合成菌群顯著增加了根際微生物群落的豐富度和關(guān)鍵菌屬的豐度，尤其是Sordariomycetes和Pseudarthrobacter的相對豐度與作物生長密切相關(guān)。這一研究已發(fā)表在Microorganisms期刊，共同一作為游甜、劉秋梅，標(biāo)題為Synthetic microbial communities enhance pepper growth and root morphology by regulating rhizosphere microbial communities（圖3）。
這一系列研究成果表明，合成菌群接種是一種高效、生態(tài)友好的農(nóng)業(yè)廢棄物處理及作物增產(chǎn)策略，為促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了新思路和技術(shù)支撐。隨著合成菌群研究的深入，其在堆肥優(yōu)化和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的潛力將進(jìn)一步得到發(fā)揮，對推動綠色農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。上述研究均得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2022YFF1300704）等項(xiàng)目的共同資助。
圖1 合成菌群接種促進(jìn)高溫期木質(zhì)纖維素降解的作用機(jī)制
圖2 合成菌群接種促進(jìn)木質(zhì)纖維素降解的作用機(jī)制
圖3 合成菌群接種促進(jìn)辣椒生長的作用機(jī)制