土壤細菌與植物之間的有益互作一直是研究的重點，科學家已經開發並應用了多種實驗方法來探討這一現象。

其中，一些方法側重於植物本身的變化，而另一則聚焦於促進植物生長的有益細菌 (PGPB, Plant Growth-Promoting Bacteria) 的生理生化特性。此篇文章綜述了當前研究植物與 PGPB 互作的主要技術，包括植物微生物組的分析、DNA 基因組測序以解析 PGPB 的基因組成、轉錄組學、蛋白質組學及代謝組學技術以探討 PGPB 與植物的基因表達、PGPB 的基因編輯技術、PGPB 接種劑的封裝技術、植物與 PGPB 的影像分析、PGPB 固氮酶活性測試，以及利用特殊生長室培養並監測經細菌處理的植物生長狀況。這些技術的綜合應用為深入理解 PGPB 與植物的互作機制提供了強有力的工具，有助於推動農業和生物技術領域發展。

當今全球人口已突破八十億，隨著持續增長，糧食安全成為日益嚴峻的挑戰。尤其在南亞、東亞、北非與中東等乾旱地區，約有三十億人口面臨水資源匱乏與鹽分壓力，至 2050 年甚至可能倍增。這些環境脅迫與全球升溫密切相關，已對農作生產形成重大限制。在有限可耕地的條件下，人類提出了多元策略以增加糧食供應，包括擴大化肥與農藥的使用並減少糧食浪費、推動基因工程與基因編輯作物的開發，以及提升植物生長促進細菌（plant growth-promoting bacteria, PGPB）與有益真菌（如菌根）的應用，以部分取代化學投入。然而，單一策略往往不足以因應未來龐大的糧食需求，綜合性方法才更具前景，其中「減少浪費」與「結合基因改造與 PGPB 的利用」被視為最具潛力的方向。

土壤蘊含龐大且多樣化的微生物群落，細菌密度可高達 10^8–10^9 個細胞/克土壤，其中既有促進植物生長的 PGPB，也包含病原菌與功能未明的中性菌種。過去二、三十年間，科學界對 PGPB 的生理特徵與分子機制已取得長足進展，儘管商品化應用仍有限，但其農業應用面積逐年增加。所有陸生植物皆依附於多樣化的微生物組（microbiome），涵蓋細菌、真菌、卵菌、病毒、古菌與原生生物，並定殖於根圈、根表面、葉面、種子及植物內部。根際微生物群落與植物的關係具有不同層次：外生菌僅依附於表層，而內生菌則能深入組織。由此可見，植物應被視為「超個體」（superorganism），其正常生長與健康仰賴微生物組的協同作用。儘管相關研究正快速推進，植物微生物組在作物生長、產量與抗病性上的具體影響，仍存在龐大的知識缺口。

植物能透過根部分泌物塑造微生物組結構，進一步引導代謝與生理效應，這一互動被形容為「代謝循環經濟（metabolic circular economy）」，即在根圈內化學訊號與代謝物不斷降解、再利用與修飾。近年來更有研究將植物視為「共生體（holobiont）」，強調植物與微生物及其環境間的訊號交流會影響整體互動模式。在實驗室條件下，PGPB 多以單一菌株研究，但在自然環境中則以群落或合成群落（synthetic communities, SCs）的形式協同運作，不同菌株共同滿足植物需求。值得注意的是，PGPB 不僅能促進生長，還能抵禦病原菌，並透過化學訊號選擇性地被植物吸引。這些群落之間存在複雜的合作、競爭與拮抗，而新成員的引入甚至可能重塑群落結構。若能透過人工合成群落重建並追蹤分子互動，將能更貼近自然情境，而此過程中流式細胞儀（flow cytometry）與螢光活化分選（FACS/FANS）便成為關鍵工具。這些技術能於單細胞層級高通量解析與分離微生物群落，鑑別內外生菌，追蹤細胞間訊號，並建立群落組成與植物效應的因果關係。藉此，科學家得以模擬並重建合成群落，探索不同微生物組成對植物生長促進效果的影響，為未來可持續農業提供新契機。

原始文章: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35889099/

Citation: 

Gamalero, E., Bona, E., & Glick, B. R. (2022). Current Techniques to Study Beneficial Plant-Microbe Interactions. Microorganisms, 10(7), 1380.