雖然這朵花可能會(huì)吸引蜜蜂和路人的眼睛，但它卻是地下生活中看不見(jiàn)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。棲息在根際和內(nèi)生的微生物群落或微生物群 - 植物根部周?chē)蛢?nèi)部的生態(tài)位 - 促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物和信息穿梭進(jìn)出土壤基質(zhì)中的根部。通過(guò)使植物適應(yīng)其直接環(huán)境，這種商業(yè)活動(dòng)有助于植物健康和生長(zhǎng)，防御害蟲(chóng)，碳的管理和其他富集土壤的元素，甚至可以提供植物隔離污染物的能力。這些地下微生物活動(dòng)并沒(méi)有像人們?cè)谌梭w內(nèi)部和表面上表征微生物種群的作用那樣得到關(guān)注，最近出版的“ 自然 ” 雜志。由美國(guó)能源部聯(lián)合基因組研究所(DOE JGI)和北卡羅來(lái)納大學(xué)(UNC)教堂山的研究人員帶領(lǐng)，該研究于2012年8月2日發(fā)表，揭示了推動(dòng)這種“植物”地下形成的機(jī)制。微生物組“以及植物如何影響根際微生物群的存在，反之亦然。

“了解指導(dǎo)根微生物組形成的規(guī)則可能會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)的成功和我們對(duì)碳循環(huán)的理解做出重大貢獻(xiàn)，”資深作者Jeff Dangl，霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所(HHMI)調(diào)查員和UNC的John N. Couch說(shuō)。生物學(xué)教授。“科學(xué)長(zhǎng)期以來(lái)一直著迷于植物與微生物之間的關(guān)系，從致病性到互惠互利。根據(jù)我們的結(jié)果，我們正在為這個(gè)復(fù)雜的景觀添加新的細(xì)節(jié)。“

該團(tuán)隊(duì)還包括德國(guó)不來(lái)梅大學(xué)，康奈爾大學(xué)和澳大利亞昆士蘭大學(xué)的研究人員，他們能夠確定許多微生物參與者的身份，從而可以推斷出他們的代謝作用，以及當(dāng)他們被迫服務(wù)。

“我們的研究為宿主植物和土壤微生物如何塑造共有的微生物組提供了更深入，更精細(xì)的指示 - 我們定義了可重復(fù)吸引植物根系的微生物類(lèi)群，以及植物允許滲透到根部的微生物類(lèi)群，可能是交換營(yíng)養(yǎng)或其他好處，“Dangl說(shuō)。

該團(tuán)隊(duì)的方法將Dangl實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與DOE JGI深層基因組測(cè)序和復(fù)雜微生物群落分析的強(qiáng)大功能相結(jié)合。共同作者，DOE JGI的Metagenome計(jì)劃負(fù)責(zé)人Susannah Tringe說(shuō)，微生物組可以被視為植物基因組的延伸。“根際是一個(gè)相互依賴(lài)的動(dòng)態(tài)微觀世界。在我們了解其相關(guān)微生物組的功能能力和控制組裝的驅(qū)動(dòng)因素之前，我們無(wú)法真正了解植物基因組的全部功能。與微生物在我們自己身體內(nèi)部和周?chē)l(fā)揮關(guān)鍵作用的方式一樣，我們也在植物基因組學(xué)中采用與宿主相關(guān)的宏基因組學(xué)概念，因?yàn)樗罱K將導(dǎo)致預(yù)測(cè)性干預(yù)，從而提高植物健康和生產(chǎn)力，

為了獲得陸地的位置，研究人員對(duì)內(nèi)生菌 - 植物根系中存在的微生物 - 以及土壤根系界面和周?chē)寥乐械奈⑸镞M(jìn)行了嚴(yán)格的評(píng)估。研究小組認(rèn)為，研究結(jié)果可以促進(jìn)基于社區(qū)的植物益生菌策略的制定。例如，代替噴灑殺蟲(chóng)劑或肥料處理，可以向農(nóng)民建議哪種微生物物種以及其比例最好地提高特定土壤類(lèi)??型中感興趣的作物植物的生產(chǎn)力。

雄心勃勃的實(shí)驗(yàn)針對(duì)來(lái)自600多種擬南芥植物的微生物群落。植物界的這種微小的，雜草的，所謂的“實(shí)驗(yàn)室老鼠”是第一個(gè)對(duì)其進(jìn)行基因組測(cè)序的植物，并且在實(shí)驗(yàn)室中快速且容易地生長(zhǎng)。植物在兩種不同的土壤類(lèi)型中生長(zhǎng)，然后從盆中取出完整的植物根系并搖動(dòng)以除去非根際土壤。然后將根際土壤洗掉并收集，最后將根本身冷凍并研磨以進(jìn)入內(nèi)部深處的微生物。然后研究人員從這三個(gè)區(qū)域 - 土壤，根際和內(nèi)生菌 - 中分離出DNA，并觀察了16S rRNA基因，這是一種可以幫助區(qū)分微生物物種的診斷標(biāo)簽。在一次計(jì)算之旅中研究人員通過(guò)大量的土壤，根 - 土界面和根 - 細(xì)胞室 - 大量的序列數(shù)據(jù)篩選了超過(guò)1,200個(gè)樣本，構(gòu)成了大約20億個(gè)高質(zhì)量DNA代碼的基礎(chǔ) - 通過(guò)開(kāi)發(fā)一個(gè)系統(tǒng)模型來(lái)組裝這個(gè)難題。使團(tuán)隊(duì)能夠量化每個(gè)變量對(duì)社區(qū)組成的貢獻(xiàn)。

研究人員開(kāi)始假設(shè)植物根系通過(guò)其物理結(jié)構(gòu)和分子的釋放，創(chuàng)造出一種在化學(xué)和微生物學(xué)上與其生長(zhǎng)的土壤不同的局部環(huán)境。

“我們發(fā)現(xiàn)微生物內(nèi)生菌群落比根際群落更依賴(lài)于個(gè)體寄主植物'基因型'，”Dangl說(shuō)。“幾種微生物在根部和根部比在土壤中更常見(jiàn)，這表明可重復(fù)的定植和潛在的共生。我們還證實(shí)了所有根際和內(nèi)生區(qū)室的預(yù)期結(jié)果，無(wú)論土壤類(lèi)型或基因型如何，都組成了一個(gè)與土壤不同的微生物群落。我們的研究結(jié)果表明，土壤細(xì)菌群體的一部分通常通過(guò)植物發(fā)出的生物物理和/或生物化學(xué)信號(hào)在根際樣本中富集。

研究小組還發(fā)現(xiàn)土壤中常見(jiàn)的一些細(xì)菌在根細(xì)胞內(nèi)被耗盡，這表明這些微生物要么被植物的免疫系統(tǒng)主動(dòng)門(mén)控，要么被更成功的根細(xì)胞定殖者所擊敗。

“我們觀察到的微生物平衡行為表明了一系列核心生態(tài)學(xué)原理，這些原理塑造了擬南芥根微生物群，”Dangl說(shuō)。“我們看到一系列不同的微生物代表不同的門(mén)提供廣泛的代謝潛力，而某一子集依賴(lài)于植物的特定基因型，并用于個(gè)性化宏基因組。”

“這開(kāi)啟了一扇寬闊的大門(mén)，通過(guò)它我們將確定微生物組的功能能力，以及可能促成微生物關(guān)聯(lián)表型的宿主基因 - 主要農(nóng)藝學(xué)興趣的基因。”Tringe說(shuō)。“居住在這個(gè)利基市場(chǎng)的微生物群既可以受益，又可以破壞植物的健康。改變這種平衡會(huì)影響作物的成功。例如，一些微生物可能為植物提供營(yíng)養(yǎng)和激素，可以改善植物生長(zhǎng)，抑制害蟲(chóng)，增加對(duì)干旱等脅迫的抵抗力，而其他微生物可能是隱秘的病原體。

根際宏基因組學(xué)的努力一直在整個(gè)植物和微生物研究界獲得關(guān)注和支持。佐治亞大學(xué)的教授杰夫·貝內(nèi)岑(Jeff Bennetzen)表示同意，他的實(shí)驗(yàn)室研究了木質(zhì)纖維素生物燃料生產(chǎn)的宏基因組學(xué)等相關(guān)主題。“這項(xiàng)工作是一個(gè)巨大的和令人興奮的創(chuàng)業(yè)第一步進(jìn)入未知領(lǐng)域是什么的基因存在于決定接近自己的根微生物種群的狀態(tài)主機(jī)的基因組。”

根際項(xiàng)目源自2008年國(guó)家科學(xué)院國(guó)家研究委員會(huì)題為“國(guó)家植物基因組計(jì)劃的成果[NPGI]和植物生物學(xué)新視野”的研究報(bào)告。該出版物指出“基因組序列是用于植物基因組科學(xué)中心的功能，進(jìn)化和轉(zhuǎn)化工具開(kāi)發(fā)的原材料，“并且，”與植物相關(guān)的宏基因組學(xué)的類(lèi)似大規(guī)模投資是合理的，因?yàn)橹参锵嚓P(guān)微生物群落的多樣性及其對(duì)植物生產(chǎn)力...... [f]或例如，與候選多年生生物燃料作物相關(guān)的微生物群落。“該研究還承認(rèn)，”能源部聯(lián)合基因組研究所(JGI)在為NPGI服務(wù)方面發(fā)揮的獨(dú)特作用至關(guān)重要“。

該團(tuán)隊(duì)目前正在進(jìn)行一項(xiàng)更大規(guī)模的長(zhǎng)期研究，由HHMI，Gordon和Betty Moore基金會(huì)，國(guó)家科學(xué)基金會(huì)和DOE科學(xué)辦公室支持，以確定三個(gè)重要模型植物的根相關(guān)微生物組物種遍布各種地理位置和生態(tài)條件。