了不起的“森井模式菌群”① | 让土壤菌群“活”起来

发表时间:2022-12-02 16:47

随着经济和技术的快速发展,以高投入高产出、高频种植等为特点的集约化种植已成为我国重要的农业生产模式。随着集约化种植的发展,其中出现了一些负面问题,且日益凸显


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困扰我们已久的土壤问题该如何解决?

农业问题归根结底是土壤问题,土壤问题的核心是土壤微生态。森井生物向大自然学习调理土壤微生态,模拟自然菌群,通过合成功能菌群理论,形成一种多菌种、交叉互养、绿色长效的微生态系统。


针对现在肥料中菌株单一而造成的肥料不稳定、质量低的现象,通过微生物合成菌群学原理和技术(微生物组合成策略及群体感应的种群配伍和调控研究),结合具有特殊功能的厌氧、兼性厌氧微生物菌种,理性设计出对不同作物发挥特定功能、结构稳定的厌氧、兼性厌氧微生物的“森井模式菌群”。

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(左侧为常规研究的菌群结构,中间为森井模式菌群结构,右侧为自然界菌群结构)


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“森井模式菌群”是如何构建的?

微生物技术在农业生产中的重要性毋庸置疑。但目前,能够克服化肥与农药的危害,解决连作障碍,适合现代化耕作管理的农业微生物产品还很少,有效的,经济的,防治结合的,全面修复土壤的农业微生物技术更是凤毛麟角。


目前对于合成功能菌群的构建策略主要分为两种:

(1)在自然界中获取已经稳定的菌群,即从上到下(top-down)的策略,缺点是菌群内部成员大多未知,研究菌群成员内部协同互作关系难度较大,产品安全性无法保障,无法获得生产资质登记,难以实现稳定的大规模生产。

(2)将各类微生物简单配伍并验证菌群的功能,即从下到上(bottom-up)的策略,缺点是在构建菌群时并未体现理性设计原则,如果菌群内物种多样性较低,则合成功能菌群效果不显著、不稳定;如果菌群内物种多样性较高,则研发工作繁琐,后期生产成本高、难度大,质量难控制。


以上两种策略都不能完全满足我们的要求,因此,森井自主开发了第三种构建策略:在全封闭的、条件可控的生物反应器装置内,通过泵送不同的微生物菌种、不同的合成营养物质,调控温度、pH、ORP、DO、渗透压、水活度等因子,定向、连续的进行培养、筛选,利用代谢途径约束菌群发育,结合微生物组技术,预测潜在互作关系,构建目标模式菌群,即从代谢到模式(Metabolize-Model)的策略。在该策略下,可以高效的获得微生物多样性高、菌群稳定性强、生物安全性可靠、生产成本低的菌群结构,大大提高了研究工作的针对性、可重复性。



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了不起的“森井模式菌群”

在实验室条件下进行的合成功能群落的研究才刚刚开始发展,目前实现合成功能菌群(生物有机肥、复合微生物肥料、微生物菌剂)规模生产并合法销售(国内取得肥料登记证)的机构还没有出现,但是在不同层次、角度开展的研究有一些,例如美国北卡罗来纳大学Jeffery Dangl团队,于2015,通过构建由38个不同细菌构成的菌群来研究植物免疫对适当的根微生物群建立的影响。


总的来说,我们现在构建的“森井模式菌群”,微生物多样性高,菌群稳定性强,是能够创新实现土壤菌群移植的微生态系统。


① 多菌种 微生物多样性高

“森井模式菌群”的培养材料、培养条件非常独特,微生物菌群与传统微生物领域的产品有很大不同,其中包含分布于5个门(phylum)8个纲(class)9个目(order)18个科(family)43个属(genus),共110个种(species),其中101种都属于Uncultured(未实现纯培养)Unclassified(未细致分类)、Unidentified(未鉴定)的微生物,其中许多微生物是农业领域全新的微生物菌种。多菌株结构扩宽了菌群的基因库,丰富了呼吸类型(厌氧微生物、兼性厌氧微生物、好氧微生物)、潜在生理功能及同工酶的多态性,加强了对不同底物的亲和力以及对不同环境因素的耐受,拓展了菌群持续发挥活性的空间和时间。


②交叉互养 内部共生代谢关系紧密 菌群稳定性强

交叉互养(cross-feeding)是合成菌群的理论基础,“森井模式菌群”中的3个属、10个种的核心微生物菌群,他们之间通过代谢副产物包括:糖类、乳酸、短链脂肪酸、正己酸等的能量和营养的代谢形成稳定的交叉互养关系,同时又代谢产生多糖、氨基酸、核酸、维生素等复杂营养物质,承托起了除核心微生物菌群外更多微生物的代谢。高强度密集连接的交叉互养网络促进了菌群内的稳定竞争,在群落的稳定中起着至关重要的作用。

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绿色长效 实现土壤菌群移植

“森井模式菌群”一方面改变土壤环境,可以长期影响细菌群落;另一方面带来了外源益生细菌的直接输入,将菌群移植到生态失衡的环境内。菌群快速利用土壤中的有机物、植物残体以及残留根系分泌物等进行繁殖,占据生态位、争夺营养,通过代谢产生几丁质酶、大量乳酸、正己酸以及挥发性脂肪酸等温和、绿色的方式抑制甚至逐渐杀灭土传病害病原,实现土壤菌群移植,促进土壤微生物群落多样性的维持与结构的稳定,作用时间长,范围广,可以极大的缓解土壤的退化,提升土壤生产力。


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实际应用中哪些出色特点最受关注?

实际解决用户问题,是一切产品的起点。“森井模式菌群”不仅含括了上述的技术特点,同时属于非芽孢类、不休眠、不产生抗生素,可在根际形成优势菌,达到绿色长效。


作用于根际周围 改善土壤生物活性

“森井模式菌群”在活动过程中,利用代谢物调控土壤微生物菌群趋于平衡,同时实现增加作物的抗逆性,增加根系生物量,释放土壤矿物质等作用。

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不产生芽孢 不休眠 不产生抗生素

据统计,芽孢杆菌类菌株为主的登记产品占90%以上。但从已有的研究报告中可知,芽孢菌作为微生物肥料,在提高土壤养分、促进作物生长等生物活性上远不及非芽孢菌。芽孢菌在施入土壤中后,一旦休眠,便失去生物活性,其微生物肥效也随之失去。“森井模式菌群”稳定性高,不产生休眠体,只要不死亡就一直保持代谢活性,持续合成和分泌各种代谢产物到环境中。通过产生的代谢物,增强植物抗性,诱导植株产生抗病性系统功能。

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③ 耐酸性 耐盐碱 适应能力强

土壤盐碱化已成为限制农作物生长发育的重要原因之一,也是最严重的一种土壤环境问题。森井生物在2022年大庆市林甸县盐碱地块种植水稻的大田上再次得以验证,“森井模式菌群”适应力强,耐受不良环境,显著促进作物生长发育。

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(左侧为土壤盐碱化的情况下,使用“森井模式菌群”的种植效果)


独特代谢途径 减少二氧化碳及甲烷产生 固定碳元素

“森井模式菌群”中独有的己酸代谢途径,将短链脂肪酸变为长链脂肪酸,甲烷菌不能利用,减少甲烷产生,同时将长链脂肪酸作为碳固定在土壤里。避免乳酸在水体饱和效应,抑制乳酸菌活性。

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全国范围大显身手

经过多年的发展,目前“森井模式菌群”产品已经走进全国的田间地头,广泛应用于粮食、蔬菜、水果等多类作物,也被重点应用于土壤改良、秸秆还田、农业面源污染消除等众多领域,取得了前所未有的突破。

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绿色区为“森井模式菌群”应用覆盖区


“森井模式菌群”如何在全国范围大显身手?

敬请期待《了不起的“森井模式菌群”② | 将绿色种植的梦想照进现实》,一起看看“森井模式菌群”在土壤改良、秸秆还田、农业面源污染消除等众多领域,所取得的成绩。