隨著全球人口的增加，預(yù)計到2050年將達(dá)到近100億，因此需要提高作物產(chǎn)量并為食品和可持續(xù)替代燃料生產(chǎn)足夠的植物材料。為了幫助改善作物育種策略并克服諸如使植物對邊緣土地更加耐受以及諸如干旱和低養(yǎng)分可用性等壓力的挑戰(zhàn)，研究人員正致力于理解和促進(jìn)有益的植物 - 微生物關(guān)系。

2017年12月18日由 Nature Genetics發(fā)布，由美國能源部(DOE)聯(lián)合基因組研究所(JGI)，美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室和北方大學(xué)霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊位于教堂山(北卡羅來納州)的卡羅萊納州利用一系列細(xì)菌基因組來鑒定和表征候選基因，這些基因有助于細(xì)菌適應(yīng)植物環(huán)境，特別是參與細(xì)菌根部定植的基因。

迄今為止，該領(lǐng)域的大多數(shù)研究都集中在植物微生物組的社區(qū)結(jié)構(gòu)上，即“誰在那里”，而不是功能，即“他們正在做什么，他們是如何以及何時做的”。已經(jīng)考慮了功能的研究主要研究了單一的宿主 - 微生物相互作用，例如擬南芥植物和病原體之間的相互作用。

“如果我們想要設(shè)計合適的微生物組以支持植物生長，我們需要了解微生物組的真正功能，而不僅僅是序列標(biāo)記基因，”該研究的共同第一作者，JGI的研究科學(xué)家Asaf Levy說。“在這里，我們使用了大量的基因組和計算工作來解決基本和重要的問題：'植物微生物組如何與植物相互作用?'”

微生物和植物之間的大多數(shù)相互作用發(fā)生在根和土壤之間的界面處。來自北卡羅萊納大學(xué)，橡樹嶺國家實驗室和馬克斯普朗克研究所的研究人員從十字花科植物(191)，楊樹(135)和玉米(51)的根系環(huán)境中分離出新的細(xì)菌。然后對這些377種細(xì)菌分離物的基因組以及來自擬南芥根的另外107種單細(xì)菌細(xì)胞進(jìn)行測序，組裝并在JGI注釋。

然后，作者將新的基因組與代表植物相關(guān)細(xì)菌主要群體的數(shù)千種公眾可用的基因組結(jié)合起來，并將來自多種植物和非植物環(huán)境的細(xì)菌(如人體腸道)進(jìn)行比較。得到的3837個基因組的數(shù)據(jù)庫，其中1160個來自植物，用于比較基因組學(xué)分析。

研究人員隨后確定了富含植物相關(guān)和根相關(guān)生物基因組的基因。

“了解微生物用于定植植物的基因和功能是非常重要的，因為只有這樣我們才有機(jī)會合理地設(shè)計有用的'植物益生菌'，以幫助我們用更少的化學(xué)投入(如肥料和化肥)來種植更多的糧食和能源作物。殺蟲劑或殺菌劑，“霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所研究員和北卡羅來納大學(xué)教堂山分校生物學(xué)教授John N. Couch的資深作者Jeff Dangl說。

從該研究中獲得的關(guān)鍵見解是植物和土壤相關(guān)的基因組往往比來自同一進(jìn)化枝的對照基因組更大。發(fā)現(xiàn)這部分是由于參與糖代謝和運(yùn)輸?shù)幕虻母患赡苁菍ψ匀唤?ldquo;糖果工廠”產(chǎn)生的光合作用植物碳的適應(yīng)，Asaf Levy說。植物通過光合作用固定的高達(dá)20%的碳通過根滲出作為糖來吸引微生物。

還鑒定了許多似乎模擬植物功能的基因 - 通過編碼“植物類似PA和RA結(jié)構(gòu)域”或PREPARADO。“眾所周知，植物病原體使用的蛋白質(zhì)可以模擬免疫功能所需的植物結(jié)構(gòu)域，”Dangl說。“想象一下，病原體直接向植物細(xì)胞注入一種模仿特定免疫系統(tǒng)機(jī)器的蛋白質(zhì)。這就像將一個部分有缺陷的齒輪放入輪子中 - 輪子不能再轉(zhuǎn)動了。我們認(rèn)為我們鑒定的植物相關(guān)蛋白結(jié)構(gòu)域可能以相同的方式起作用。“

快速發(fā)展的基因通常是共享環(huán)境的生物之間分子軍備競賽的標(biāo)志。這些基因通常用于攻擊或防御另一種生物。在該研究中鑒定了兩種與相關(guān)植物相關(guān)細(xì)菌的不同“生活方式”相關(guān)的新的快速進(jìn)化的蛋白質(zhì)家族。其中一種在共生細(xì)菌中被發(fā)現(xiàn)，被稱為“Jekyll”; 另一種，在致病菌中發(fā)現(xiàn)，被命名為“Hyde。”與來自弗吉尼亞理工大學(xué)和ETH(瑞士)的合作者，JGI科學(xué)家發(fā)現(xiàn)后者非常有效地殺死競爭細(xì)菌，可能有助于這些“Hydes”接管葉子利基。伯克利實驗室的創(chuàng)新與合作辦公室(IPO)已經(jīng)為該家族提交了一項專利申請，作為控制植物病原體的潛在抗菌機(jī)制。IPO尋求行業(yè)合作伙伴的能力，經(jīng)驗和資源，將產(chǎn)品推向市場，推動JGI及其研究合作者的發(fā)現(xiàn)。