培养组学，是一种利用多重分离培养条件结合高通量测序技术（16S rRNA扩增子、宏基因组等）的微生物组研究方法，其应用大大提高了我们对可培养微生物多样性的认知。尽管培养组学在获得微生物纯培养物方面有很大作用，但它通常被认为是劳动和资源密集型的，且可能会遗漏群落中的一些重要特定类群。因此，如何系统全面地通过培养组学获得核心菌株数据集仍是一项重要挑战。
1.什么是合成微生物群（SynCom）？
合成微生物群（Synthetic Microbial Communities, SynComs）是一类人为设计和构建的微生物群落，它由两种或多种已知分类地位、功能特性明确的不同微生物组成。这些微生物在特定的条件下，以确定的比例进行混合，形成一个稳定且具有特定功能的群体。
拟解决的科学问题
1、如何选择代表性的微生物以简化自然微生物群落的复杂性，并根据其功能特性设计合成微生物群落？
2、如何利用计算和实验方法预测并验证这些合成群落在提供特定生态系统服务中的效能？
2024年，凌恩生物客户在《Microbiome》发表的文章“ 嫁接植物微生态大揭秘：抗病研究的新思路”，通过培养组学，获得了包含16种核心微生物的合成微生物群（SynCom）。实验结果表明，SynCom不仅促进了未嫁接西瓜的生长，也通过微生物的协同作用减轻了病害。随后研究将最初构建的SynCom进一步精简为包含八种选定细菌的简化SynCom，植物实验验证表明简化SynCom的促植物生长效果与初始SynCom相似。该研究表明，利用功能性SynCom可以成为可持续农业的有前途的解决方案。
同样，近期凌恩生物长期合作客户北京大学白洋老师在《Cell》发表了文章“Crop root bacterial and viral genomes reveal unexplored species and microbiome patterns”，该研究构建了全球首个作物根际”细菌+病毒”基因组数据库CRBC，该数据库包含6699个根际细菌基因组，其中有4618个来自分离培养的细菌株，2081个来自宏基因组拼接获得的未培养细菌基因组。显著扩展了公开可用的作物根际细菌基因组数量约3倍，鉴定的病毒在属水平上50%未被报道。总之，该数据库的公开，让作物根际微生物组研究的维度更广，即原核生物+噬菌体/病毒，为“植物-微生物”互作研究提供更广、更丰富的视角。
2.代谢网络模型（GEMs）辅助构建功能性SymCom
设计合成微生物群（SymCom）仍面临一个重要问题就是，在得到很多菌株后，如何进行巧妙搭配，获得定制功能性SymCom呢？尤其是涉及的菌株数量变多，通过随机试错实验来构建简化的合成菌群，不仅耗时，而且可能会遗漏功能性合成菌群中的关键代谢信息。在更深入的研究层面，基因组尺度的代谢网络模型已经成为强有力工具。
利用宏基因组组装的基因组(MAGs)中的基因和代谢信息构建GEMs是获得MAGs后的一个新分析思路。GEM可以整合大量的生物学数据和数学方法，重建微生物代谢网络，了解混合微生物群落的代谢互作，确定最小功能微生物群，筛选核心物种以构建具有关键植物促生功能的合成群落（SymCom）。从而为合理设计合成微生物群落提供指导，并为生物修复提供新的策略。以研究混合微生物群落的代谢活动。
2024年凌恩生物客户南京农业大学发表NC上的一篇文章“Engineering natural microbiomes toward enhanced bioremediation by microbiome modeling”，详细介绍了构建合成微生物菌群工作流程以及如何了解合成菌群之间的代谢互作关系。
合成菌群“自上而下”阶段：
设计思路：
1、采用两种除草剂（BO：辛酰溴苯腈、DBHB：3,5-二溴-4-羟基苯甲酸）和三种接种菌的选择组合处理3种不同的初始土壤（紫色土、红壤土和黄褐土），得到320个土壤样本，测量除草剂残留量。
2、16S rRNA测序（V3-V4）、宏基因组测序+土壤分析鉴定菌株（16S测序）：筛选关键菌株，构建简化的微生物菌群。
合成菌群“自下而上”阶段：
1、对18个单物种进行单物种模型构建+简单微生物群落模型构建。
2、验证：代谢组和互作转录组。
3、微生物群落模型构建。
4、基于代谢互作学习的合成细胞设计策略。
研究结果，研究通过从土壤分离+16S扩增子+宏基因组获得的关键菌株的基因组+培养因子构建合成菌群代谢网络模型（SuperCC），最终预测了不同关键菌株的组合性能+培养基促生长成分+表征关键菌株间互作交换的具体代谢物+物质交换通量，验证实验（互作转录组、生长实验、代谢组）结果同预测结果一致，并基于SuperCC提出了基于代谢互作学习的合成细胞设计策略。该策略显示，在7D-2&X-1&BR1合成菌群中，确定了三个利用NO3-的基本反应，将这些反应添加到上述计算合成细胞（7D-2或X-1）中有助于合成细胞利用NO3-，从而提高N利用率。综上，研究结果强调了代谢相互作用在塑造微生物菌群功能中的关键作用。
3.基因组规模代谢网络（GENs）重建研究方案
基因组规模代谢网络（GENs）重建，辅助构建简化核心微生物菌群SymCom，为根际微生物-宿主植物互作提供子刊级别研究思路。
推荐的具体步骤为：
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宏基因组测序、MAGs组装及注释
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模型的初步构建、手动校正和最终模型的完善
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使用自下而上或自上而下的方法建模群落的行为，对共享代谢物、群落生长和反应通量进行高质量预测
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模拟细菌之间的相互作用，实验验证
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筛选关键菌株，构建简化的核心微生物菌群SymCom
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参考文献
[1]Qiao, Y., et al. Synthetic community derived from grafted watermelon rhizosphere provides protection for ungrafted watermelon against Fusarium oxysporum via microbial synergistic effects. Microbiome 12, 101 (2024).
[2]Dai R, et al,.Crop root bacterial and viral genomes reveal unexplored species and microbiome patterns. Cell. 2025.
[3]Ruan Z, et al. Engineering natural microbiomes toward enhanced bioremediation by microbiome modeling. Nature Communications, 2024.
[4]Tarzi C, et al. Emerging methods for genome-scale metabolic modeling of microbial communities[J]. Trends in Endocrinology & Metabolism, 2024.