合成微生物群落（Syncoms）：设计原则、应用与挑战
作者、机构与发表信息
本文由张玉晓（Yuxiao Zhang）、景敏宇（Minyu Jing）、吕丽慧（Lihui Lyu）、聂莉（Li Nie）、徐西辉（Xihui Xu）、孙茹（Ru Sun）、徐熙媛（Xiyuan Xu）、陈思宇（Siyu Chen）、贺硕冰（Shuobing He）、张雨萌（Yumeng Zhang）、黄平（Ping Huang）、罗伟杰（Weijie Luo）、梁姣姣（Jiaojiao Liang）、高桂锋（Guifeng Gao）、范坤坤（Kunkun Fan）、杨腾（Teng Yang）、张丽燕（Liyan Zhang）、付晓（Xiao Fu）、Sarah M. Allard、Jack A. Gilbert、张佳宝（Jiabao Zhang）、褚海燕（Haiyan Chu）等研究者共同撰写。作者单位包括中国科学院南京土壤研究所土壤与农业可持续发展国家重点实验室、南京农业大学、中国科学院大学、美国加州大学圣地亚哥分校医学院儿科系、斯克里普斯海洋研究所土壤健康中心等。该文作为一篇系统性综述，发表于期刊 Advanced Science，于2025年12月9日正式接受。
论文主题与背景
本文的主题为“合成微生物群落（Synthetic Microbial Communities, Syncoms）的严谨设计与应用原则”。合成微生物群落是指由分类学和功能特性明确的微生物菌株，在受控条件下组装而成的人工微生物群落，旨在特定的环境下引发可预测的表型响应。这一研究领域的兴起背景在于，人类对微生物在自然界和人类活动中所扮演关键角色的认识不断深入，但如何超越描述性生物学，实现对复杂微生物系统的预测性理解和精准工程化操控，仍是巨大挑战。传统的微生物研究多依赖于单一纯培养或观察复杂的自然群落，前者功能局限，后者机制不清。Syncoms 作为一个“精简而可控”的模型系统，架起了从微观机制解析到宏观功能应用的桥梁。它不仅是研究微生物间相互作用（如代谢互养、群体感应）、群落组装与稳定性的有力工具，更是应用于农业、环境修复、工业生物技术及人类健康等领域的潜在变革性技术。本文旨在系统性地梳理 Syncoms 从概念设计、构建方法、内部互作机制，到与土著微生物群落的相互作用，再到多样化应用场景及未来挑战的全景图，为这一新兴领域的严谨发展和标准化应用提供理论框架和实践指导。
主要观点与论据阐述
一、 Syncoms 的核心概念、设计原则与构建方法论
文章开篇明义，定义了合成微生物群落（Syncoms）及其关键特征：由明确鉴定的微生物菌株人工构建，旨在实现物种间代谢互作、代谢分工和生态互作，从而产生如定殖稳定性和环境适应性等可预测表型。Syncoms 的设计与构建围绕一个核心迭代循环——“设计-构建-测试-学习”（Design-Build-Test-Learn, DBTL）展开。
在设计层面，文章提出了四大指导原则：（1）功能简约化与模块化：将复杂生态功能分解为独立模块，分配给特定菌株，避免功能冗余。（2）预测与控制互作网络：通过预测代谢过程、信号传导（如群体感应）和生长动态，来调控群落内的竞争抑制和代谢分工。（3）预测并促进群落的稳健性与稳定性：通过工程化动态反馈控制和必要的代谢冗余，确保群落在特定环境胁迫下的长期稳定。（4）通过简化降低复杂性：目标是构建具有已验证核心功能的最小可行群落，仅当需要解决稳定性、效率或抗性等特定挑战时才纳入辅助菌株。
在构建方法论上，文章系统比较了“自上而下”（Top-down）和“自下而上”（Bottom-up）两种主流策略。“自上而下”策略始于复杂的自然微生物群落，通过施加特定的环境压力（如污染物浓度梯度、盐胁迫）进行富集和驯化，然后从富集群落中分离关键菌株进行组合。例如，通过逐步增加石化废水中的多环芳烃浓度，可以驯化并最终构建出高效降解PAHs的Syncom。该方法的优势在于能够发现未培养或未表征的微生物及新机制，且形成的群落通常生态稳健性高、天然互作网络得以保留。但其劣势在于功能机制往往像“黑箱”一样不明确，可重复性和标准化程度低。“自下而上”策略则始于已分离、特性明确的纯培养菌株，基于基因组尺度代谢模型、计算推断的互作网络，理性设计并组合具有代谢互补性的菌株。例如，基于代谢模型设计由*Clostridium cellulolyticum*和*Clostridium kluyveri*组成的Syncom，通过分工协作将木质纤维素降解效率提升了50%。该方法的优势在于功能机制清晰、可精确控制和预测、重复性好，是进行假设检验和机制研究的理想选择。但其受限于现有菌种库的规模和表征深度，且可能因丢失天然互作网络而导致群落不稳定。
文章指出，当前趋势是整合两种策略，例如利用“驯化-建模-验证”流程，结合环境选择和关键代谢网络分析，高效筛选和优化Syncom配置。
二、 Syncoms 内部成员间的复杂相互作用机制
Syncoms的功能实现根植于其成员间精密的相互作用网络。文章从细菌间互作、真菌代谢贡献以及跨 kingdom 互作三个层面进行了详细阐述。
细菌互作主要通过代谢互养和资源竞争来塑造群落结构和功能。代谢互养涉及从基本营养到复杂生物分子的交换，是协同生存和增殖的基础。例如，营养缺陷型细菌依赖其他成员提供必需代谢物；*E. coli*和*Salmonella enterica*之间存在甲硫氨酸和碳源的互惠交换。这种互养关系不仅促进营养共享，还实现了功能专业化，特别是在降解复杂底物时，通过将代谢途径分配给不同菌株，可以规避单菌株的代谢瓶颈和有毒中间产物的积累。另一方面，竞争是塑造群落的另一基本力量。细菌通过改变碳源利用偏好、分泌铁载体抢夺铁资源、形成生物膜占据空间优势，乃至产生细菌素等抗菌物质来抑制竞争者。例如，*Bacillus amyloliquefaciens*产生的挥发性有机物可以抑制病原菌*Ralstonia solanacearum*。值得注意的是，竞争与合作并非静态，可能随环境动态转化。群体感应系统作为复杂的化学信号网络，协调着群体内的合作与竞争行为，并介导与宿主的跨界信号交流。
真菌在Syncoms中则主要贡献于结构稳定性和通过协同作用提升功能。协同作用体现在不同真菌间资源共享和代谢分工，例如*Phanerochaete chrysosporium*和*Trichoderma reesei*协同增强木质素和纤维素降解效率。竞争则表现为空间干扰（快速定殖者占据生态位）和化学拮抗（分泌抗生素、霉菌毒素等）。真菌群落的协调与分工确保了Syncoms的稳定性和表型功效的持续性。
跨 kingdom 互作是现代Syncom设计的重要方向，旨在更真实地模拟生态复杂性。细菌-真菌互作包括协同与拮抗。协同方面，真菌菌丝可作为细菌在土壤中迁移的“高速公路”，扩大其功能范围；在降解多环芳烃等污染物时，真菌常负责初步氧化，细菌则进一步代谢其产生的可溶性中间体。拮抗方面，则包括细菌分泌几丁质酶裂解真菌细胞壁，或真菌产生抗菌肽抑制细菌。细菌-丛枝菌根真菌互作是植物根际的关键三方共生体系。AMF为植物提供磷、氮，换取光合产物；其菌丝际（hyphosphere）创造了独特的微生态位，招募的细菌群落能利用真菌传递的碳源，并分泌胞外酶矿化有机养分，形成高效的养分交换循环。细菌-古菌互作在厌氧环境中至关重要，如通过直接种间电子传递或氢营养型产甲烷作用进行互营代谢，共同驱动碳循环和甲烷产生。细菌-噬菌体互作中，噬菌体作为关键调节者，既可通过裂解模式直接抑制病原菌，也可通过溶原模式通过水平基因转移增强宿主细菌的适应性（如获得抗逆基因），从而维持微生物群落稳态。
三、 Syncoms 与土著微生物群落的相互作用及其生态功能
当Syncoms被引入自然环境（如土壤）时，会与土著微生物群落发生动态互作，从而影响整个生态系统。文章从三个层面分析了这种影响：
首先，Syncoms会改变土著微生物群落的多样性。 其影响是双向的。积极方面，Syncoms可以通过引入功能微生物填补空缺生态位、改善土壤微栖息地条件（如分泌胞外聚合物提高保水性）、调节资源分配以缓解竞争等方式，促进土著微生物的恢复与活动，从而增加群落多样性和稳定性。例如，在西北退化干旱土壤中引入Syncom提高了细菌多样性和生态稳定性。消极方面，若设计不当，Syncoms也可能引发竞争排斥，导致某些土著物种多样性下降。例如，过度丰富的固氮根瘤菌可能抑制土著解磷菌，破坏养分循环动态。因此，Syncom设计必须考虑与土著群落的功能互补性和引入剂量。
其次，Syncoms会驱动土著微生物代谢网络结构的重塑。 引入的Syncoms会改变微生物间正（互利、共栖）负（竞争、拮抗）相互作用的关联，通常会增加整个生态网络的复杂性、模块化和平均连接度。Syncoms本身可能成为新的网络枢纽，桥接特定的土著微生物，促进更有效的功能专业化，并将群落组装过程从随机性推向更具确定性的模式。跨 kingdom Syncoms（如包含AMF和细菌）在增强网络稳健性方面展现出更大潜力，因为它们能形成物理（菌丝网络）和代谢上的协同模块。
最终，这些相互作用将提升宏观的生态功能。 Syncoms通过对土著群落的调控，能够产生级联效应，显著改善植物生长与健康、调节土壤养分循环、增强病害控制及提升生态系统恢复力。例如，功能特化的Syncoms可以改变碳、氮、磷的转化动力学，提升土壤肥力；通过诱导系统抗性、形成根际生物膜、激活植物抗逆基因表达等方式，增强作物对干旱、盐碱等非生物胁迫以及病原菌侵染的抵抗力。这些改善的植物和土壤状态，又会进一步反馈并稳定有益的微生物群落结构，形成正向循环。
四、 Syncoms 的多场景应用实例
文章系统综述了Syncoms在多个领域的成功应用，并辅以具体案例和参考文献（见表4）。
在农业领域，Syncoms主要用于：（1）缓解土壤胁迫与提升肥力：例如，由*Pantoea stewartii*和*Bacillus marisflavi*组成的Syncom通过产生甜菜碱等相容性溶质和上调植物耐盐基因，显著提升水稻耐盐性；由*Bacillus subtilis*和*Bradyrhizobium japonicum*等组成的Syncom能协同提高土壤酶活性和有效养分含量，促进土壤有机质周转与稳定。（2）促进作物生产力与抑制病害：通过组合固氮、解磷、产植物激素等不同功能的菌株，Syncoms能协同促进玉米、辣椒等作物生长。同时，通过直接拮抗（分泌抗生素）、竞争生态位或诱导植物系统抗性，Syncoms能有效抑制黄芪根腐病、番茄枯萎病等多种土传病害。
在环境修复领域，Syncoms在传统污染物和新兴污染物的降解中均显示出优势。其核心优势在于通过代谢分工实现复杂污染物的协同或共降解。例如，由Pseudomonas sp. 和Arthrobacter sp. 组成的Syncom能高效降解莠去津；由细菌和真菌（如*Phlebia brevispora*）组成的跨界Syncom能显著提升多环芳烃的降解效率；针对难以降解的微塑料（如PET）和邻苯二甲酸酯，也有相应的Syncom被设计出来并展现出降解潜力。
在碳中和领域，Syncoms为增强碳固定和减少温室气体排放提供了生物技术路径。例如，构建由固碳微生物（如微藻、蓝细菌）和异养细菌组成的Syncom，前者固定CO2，后者消耗其产物并提供生长因子，形成互利循环，可提升整体固碳效率。此外，由高效甲烷氧化菌和产乙酸菌组成的Syncom，能通过直接氧化甲烷和竞争性消耗产甲烷底物（氢气），在稻田中实现甲烷减排。
五、 当前挑战与未来展望
尽管前景广阔，Syncoms技术在走向广泛应用前仍面临诸多挑战：（1）环境适应性与功能稳定性：实验室设计的Syncoms在引入复杂自然环境后，常因与土著微生物竞争、对环境理化因子（温度、pH等）不适应、不可预测的代谢互作变化以及成员基因突变或质粒丢失等原因而失效。（2）技术瓶颈：包括绝大多数环境微生物难培养、预测模型（如基因组尺度代谢模型）对高阶互作模拟不准确、遗传工具在非模式微生物中稀缺且效率低、从实验室到工业化放大生产的过程开发滞后等。
针对这些挑战，文章提出未来研究方向应聚焦于：开发AI驱动的智能设计工具，整合多组学数据预测高阶互作并优化群落配置；创新部署策略，如采用碳基材料封装保护菌群；加强原位监测与响应分析；大力发展非模式微生物的遗传操作工具；以及推动高通量发酵和固定化工艺的研发，以加速Syncoms的产业化应用。文章最后强调，在推动Syncoms技术发展的同时，必须进行严格的风险评估，确保其不会威胁全球生态安全。
论文的意义与价值
本文作为一篇发表于高水平期刊的系统性综述，具有重要的学术价值和实践指导意义。在学术上，它首次对合成微生物群落这一新兴交叉领域进行了全面、深入的梳理，从基础概念、设计原理、构建方法、内在机制到外部生态效应，构建了一个逻辑清晰、内容完整的知识框架。文章不仅总结了已有成果，更指明了当前的知识空白和技术瓶颈，为后续研究者提供了明确的研究路线图。在实践上，文章系统展示了Syncoms在农业增产、环境修复、碳中和等国家重大需求领域的巨大应用潜力，并通过对比不同构建策略的优劣、列举大量成功案例，为科研人员和产业界开发高效、稳定的Syncoms产品提供了宝贵的经验参考和方法论指导。同时，文章对生态风险的警示也体现了负责任的科学态度，倡导在技术创新与生态安全之间寻求平衡。因此，本文是微生物生态学、合成生物学、环境科学和农业科学等领域研究人员不可或缺的重要参考文献。