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综述 调控植物微生物组的策略

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摘要

(1)Plant-associated microbiomes are central to crop productivity, nutrient efficiency, and stress resilience, yet conventional microbiome manipulation strategies, largely based on microbial inoculation and agronomic management, often suffer from inconsistent field performance and limited persistence. 与植物相关的微生物组对作物生产力、养分效率和胁迫恢复力至关重要,然而传统的微生物组调控策略(主要基于微生物接种和农艺管理)往往存在田间表现不一致、持久性有限的问题。

(2)Although several recent reviews have discussed CRISPR-mediated plant-microbe engineering and synthetic microbial community (SynCom) design separately, few reviews integrate genome editing, ecological stability of microbiomes, and climate-resilient agricultural applications within a unified conceptual framework. 尽管近期的一些综述已分别讨论了CRISPR介导的植物-微生物工程和合成微生物群落设计,但很少有综述将基因组编辑、微生物组的生态稳定性以及气候适应性农业应用整合在一个统一的概念框架内。

(3)Recent advances in molecular biotechnology are transforming this landscape by enabling precision engineering of plant-microbe interactions at genetic, metabolic, and community levels.分子生物技术的最新进展正在改变这一局面,它们使得在遗传、代谢和群落水平上对植物-微生物相互作用进行精准工程化改造成为可能。

(4)In particular, synthetic biology tools including CRISPR/Cas genome editing, RNA interference, and synthetic microbial communities (SynComs), now allow targeted modification of plant traits governing microbial recruitment, microbial pathways underpinning nutrient cycling and stress tolerance, and community-level functional complementarity.特别是,包括CRISPR/Cas基因组编辑、RNA干扰和合成微生物群落在内的合成生物学工具,如今允许对控制微生物招募的植物性状、支撑养分循环和胁迫耐受性的微生物途径,以及群落水平的功能互补性进行靶向修饰。

(5)This review integrates molecular genetics, microbial ecology, and systems-level microbiome design to frame the plant and its microbiome as an engineerable holobiont.本综述整合了分子遗传学、微生物生态学和系统水平的微生物组设计,将植物及其微生物组构建为一个可工程化的全生物体。

(6)We integrate insights from genome editing in plants and microbes, omics-guided SynCom design, climate-resilience mechanisms, and emerging AI-assisted decision frameworks, including machine learning and ecological modeling approaches used to analyze multi-omics datasets, and predict plant-microbiome interactions across experimental and field-based studies. 我们整合了来自植物和微生物基因组编辑、组学引导的合成微生物群落设计、气候适应性机制以及新兴的人工智能辅助决策框架的见解,这些框架包括用于分析多组学数据集以及预测实验和田间研究中植物-微生物组相互作用的机器学习和生态建模方法。

(7)Importantly, we critically assess limitations related to ecological stability, trait trade-offs, biosafety, and regulatory challenges that constrain large-scale deployment.重要的是,我们批判性地评估了与生态稳定性、性状权衡、生物安全以及制约大规模部署的监管挑战相关的局限性。

(8)By bridging genome-enabled microbiome manipulation with ecological design principles, this review proposes an integrative framework for climate-smart microbiome engineering and identifies key research priorities required to transition from empirical inoculation toward predictive, sustainable, and socially responsible agricultural biotechnology.通过将基因组驱动的微生物组调控与生态设计原则相连接,本综述提出了一个用于气候智能型微生物组工程的整合框架,并确定了从经验性接种向可预测、可持续以及对社会负责的农业生物技术转型所需的关键研究优先事项。

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从“传统方法”到“精准工程”的植物-微生物组调控策略的演进框架

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展示了一个植物-微生物组“全生物体”工程化的整合框架。它描绘了一条从“数据采集”到“工程改造”再到“农业应用”的完整技术路径。

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(9)Result

(11)Conventional approaches to microbiome manipulation 微生物组操作的常规方法

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(12)Inoculation with beneficial microbes 接种有益微生物

(13)Plant breeding and engineering 植物育种与工程

(14)Agricultural practice-based strategies 基于农业实践的战略

(15)Emerging biotechnological tools for microbiome engineering 微生物工程的新兴生物技术工具

(16)CRISPR/Cas genome editing CRISPR/Cas基因组编辑

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不是单独改造植物,也不是单独改造微生物,而是同时对两者进行精准编辑,使它们形成一种“设计好的、更高效的协同关系”。

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(17)RNAi and advanced molecular approaches RNAi和高级分子方法

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RNA干扰(RNAi)技术用于植物保护的分子机制。简单来说,它是一种利用双链RNA来“关闭”特定害虫或病原体基因的方法,从而实现物种特异性的植物保护。

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(18)Omics and systems biology 组学和系统生物学

(19)Synthetic microbial communities 合成微生物群落

(20)Synthetic biology approaches for plant microbiome engineering 植物微生物组工程的合成生物学方法

(21)Microbiome engineering in practice: field-scale evidence and applied innovations 实践中的微生物组工程:现场证据和应用创新

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(22)Climate-smart microbiome engineering 气候智能微生物工程

(23)Climate-smart microbiome engineering: rhizosphere consortia 气候智能微生物工程:根际群落

(24)Integration of microbiome engineering with AI and machine learning 微生物工程与人工智能和机器学习的集成

(25)Future perspectives: synthetic plant-microbiome holobionts 



Words:

然而传统的微生物组调控策略(主要基于微生物接种和农艺管理)往往存在田间表现不一致、持久性有限的问题。