摘要：在气候变化与粮食危机的双重压力下，科学家正通过系统生物学破解植物与微生物的“分子密语”。代谢模型如同农业的“数字地图”，揭示作物如何与微生物合作或对抗，为抗病增产、减少化肥依赖提供新思路。这场微观世界的革命，能否成为可持续农业的关键？
在气候变化与粮食危机的双重压力下，科学家正通过系统生物学破解植物与微生物的“分子密语”。代谢模型如同农业的“数字地图”，揭示作物如何与微生物合作或对抗，为抗病增产、减少化肥依赖提供新思路。这场微观世界的革命，能否成为可持续农业的关键？
植物并非孤立生长，它们的根系与叶片上栖息着数以亿计的微生物，既有助其吸收养分的“盟友”，也有引发疾病的“敌人”。传统研究多聚焦单一基因或分子，却难以解释复杂的群体互动。例如，根瘤菌与豆科植物的共生固氮可减少化肥使用，但具体机制一直成谜；病原菌如何劫持植物营养导致病害，亦缺乏系统性认知。
系统生物学通过整合基因组、代谢组等海量数据，构建“代谢模型”，模拟植物与微生物的互动网络。这如同为农业生态系统绘制了一张动态地图，科学家可预测不同条件下作物与微生物的行为，甚至设计“理想微生物组”优化农业产出。
代谢模型
大豆与根瘤菌的共生固氮可替代化肥，但这一过程消耗大量植物碳资源，导致产量损失。2023年的一项代谢模型研究揭示，固氮成本高达每克氮消耗4.13克碳，并量化了共生对产量的影响。模型预测，优化根瘤菌代谢路径可减少碳消耗，为设计“高效固氮水稻”提供方向。
番茄晚疫病由病原菌 Phytophthora infestans 引发，每年造成数十亿美元损失。代谢模型模拟发现，病原菌在感染后期依赖从番茄组织中“掠夺”氨基酸生存。通过基因编辑阻断其营养获取路径，或开发靶向抑制剂，可有效遏制病害蔓延。
植物叶片上的微生物群落看似杂乱，实则遵循“代谢互补”原则。2023年，科学家利用224种叶片细菌的代谢模型，预测其竞争与合作关系，并成功设计出促进植物生长的合成菌群。未来，定制化微生物组或将成为“生物农药”新形态。
植物-微生物互作新视角
尽管前景广阔，代谢模型仍面临三大挑战：
数据黑洞：植物细胞分区复杂，多器官代谢数据获取困难；动态模拟：微生物与植物互动随环境实时变化，模型需兼顾时空维度；技术转化：实验室预测如何匹配田间复杂环境？突破正在发生：
预测：提前预判病害爆发或营养缺乏风险；设计：定制抗逆作物品种与功能微生物组；优化：减少化肥农药，提升资源利用效率。诺贝尔奖得主詹妮弗·杜德娜曾预言：“生物学将进入可编程时代。”在系统生物学的推动下，农业正从“经验种植”迈向“数字种植”。当科学家读懂植物与微生物的每一句“密语”，绿色革命的下一章，或将由代码与数据共同书写。
结语：
微观世界的奥秘，蕴藏着解决宏观危机的钥匙。系统生物学不仅是科学的飞跃，更是对人类生存智慧的深刻诠释——唯有理解自然，方能与之和谐共生。
文章整理自：植物与微生物的“秘密对话”：系统生物学如何改写农业未来？
作者：Clara Blonde, Amélie Caddeo 等 | 期刊：New Phytologist (2025) | DOI: 10.1111/nph.70063
来源：农科最前线
