在現代農業中，堆肥作為一種環保的農業廢棄物處理方式，能夠將有機廢棄物轉化為肥料，并改善土壤質量。然而，木質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。合成微生物群落（SynCom）的應用，特別是在木質纖維素降解中的作用，逐漸成為提升堆肥效率的關鍵策略。同時，作物的健康生長與土壤微生物群落的平衡密切相關。合成菌群通過調控根際微生物群落，增強作物的營養吸收和抗逆性，從而促進作物生長和抗病能力。因此，優化微生物群落結構和功能，不僅能提升堆肥質量，還能促進作物生長，是現代農業研究的前沿課題。
近日，中國科學院亞熱帶農業生態研究所李德軍研究員團隊在合成菌群促進堆肥物質轉化及作物生長領域取得重要進展。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纖維素降解效率，并進一步促進作物生長。
首先，研究團隊揭示了合成菌群在堆肥高溫期對木質纖維素降解的重要機制。SynCom接種有效降低了木質素、纖維素和半纖維素含量，并顯著提高了關鍵降解酶（如漆酶、錳過氧化物酶、纖維素酶和木聚糖酶）的活性。此外，宏基因組學分析表明，合成菌群顯著增強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的微生物代謝途徑，從基因水平優化了堆肥過程中微生物群落的結構與功能。這一成果已發表在Chemical Engineering Journal期刊，第一作者為陳雙雙，標題為Synthetic microbial community enhances lignocellulose degradation at the composting thermophilic phase: metagenomic and metabolic pathway insights（圖1）。
其次，合成菌群通過調控真菌群落進一步強化堆肥物質轉化。研究發現，SynCom接種提高了Cephaliophora、Thermomyces等關鍵真菌屬的相對豐度，并顯著增加了與木質纖維素降解密切相關的功能類群，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，關鍵物種Hydropisphaera（OTU10）的顯著富集被證實為降解木質纖維素的重要驅動因子，顯著提升了堆肥后成熟期的有機肥質量。該研究成果發表于Bioresource Techonology期刊，第一作者為劉秋梅，標題為Synthetic microbial community enhances lignocellulose degradation during composting by assembling fungal communities（圖2）。
此外，該團隊進一步探索了合成菌群在促進辣椒生長上的應用。合成菌群接種顯著提高了辣椒植株的株高、莖粗、葉片數量、葉綠素含量及根系活力。高通量測序結果顯示，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。這一研究已發表在Microorganisms期刊，共同一作為游甜、劉秋梅，標題為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、生態友好的農業廢棄物處理及作物增產策略，為促進農業可持續發展提供了新思路和技術支撐。隨著合成菌群研究的深入，其在堆肥優化和農業生產中的潛力將進一步得到發揮，對推動綠色農業的發展具有重要意義。上述研究均得到了國家重點研發計劃（2022YFF1300704）等項目的共同資助。
圖1 合成菌群接種促進高溫期木質纖維素降解的作用機制
圖2 合成菌群接種促進木質纖維素降解的作用機制
圖3 合成菌群接種促進辣椒生長的作用機制
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