沒有生物是島嶼 - 這一事實也適用于植物。健康植物包含復(fù)雜的微生物群落，其包含超過100種細菌物種，其可能在植物生長和健康中起重要作用。植物僅允許進入選定的細菌群落，稱為植物微生物群，其主要來源于天然土壤中存在的大量微生物。來自瑞士科學(xué)家馬克斯普朗克植物育種研究所的研究人員與瑞士科學(xué)家一起研究了模式植物擬南芥(擬南芥)葉片和根部中發(fā)現(xiàn)的一半以上的細菌。使用這種代表性的400多種細菌菌株進行純培養(yǎng)，研究人員現(xiàn)在可以在實驗室環(huán)境下重建擬南芥葉和根中的任何微生物群落。

相對年輕的植物微生物群研究領(lǐng)域的一個目標是產(chǎn)生與植物相關(guān)的微生物群落的清單。來自蘇格蘭蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院馬克斯普朗克植物育種研究所的Paul Schulze-Lefert和來自蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Julia Vorholt及其同事現(xiàn)在邁出了實現(xiàn)這一目標的又一重要步驟。該團隊培育了超過一半的細菌物種，這些細菌物種定植于自然界中生長的擬南芥植物的葉子和根部，并建立了一系列細菌菌株，葉子和根微生物群可以在無菌植物上重建。

實驗室中產(chǎn)生的細菌群落與自然界中發(fā)現(xiàn)的細菌群落之間的驚人相似性為微生物群重建生物學(xué)打開了大門。這種定義的群落的使用使得能夠在受控的環(huán)境條件下首次控制微生物群的擾動，而沒有由于環(huán)境波動而在自然界中不可避免的變幻莫測。

這兩位科學(xué)家在根系微生物群中培育了高達65%的細菌物種，在純植物中種植了高達54%的葉片微生物群。然而，根據(jù)微生物生態(tài)學(xué)中所獲得的智慧，不可能從天然環(huán)境樣品中培養(yǎng)超過百分之一的細菌。“這完全不正確，”Schulze-Lefert說。“我們從細菌培養(yǎng)工作中了解到，我們的核心培養(yǎng)物集合中含有大多數(shù)存在于群落中的細菌物種，并且非常好地代表了天然葉片和根系微生物群的分類多樣性。但它為微生物群重建實驗提供了一個非常好的起點，“他補充道。

仔細觀察細菌種類譜后，Schulze-Lefert和Vorholt觀察到擬南芥葉和根中發(fā)現(xiàn)的微生物群落之間存在相當大的相似性。“幾乎一半的物種都是相同的，”Schulze-Lefert解釋道。“盡管根系微生物群的樣本是在科隆收集的，而在蘇黎世和蒂賓根的葉子微生物群的樣本，如果你從更高的分類學(xué)角度考慮根和葉子微生物群，那就是從細菌家族的水平和課程存在，沒有任何差異。因此微生物群在不同的自然環(huán)境中非常穩(wěn)健，“他補充道。

研究小組通過DNA測序確定了432種細菌分離物的基因組，并進行了比較。“我們不僅為重建實驗提供純文化，我們還知道我們核心館藏中每個社區(qū)成員的完整基因組，”Schulze-Lefert說。然后科學(xué)家們能夠比較葉子和根微生物群的生化能力。為此，他們將來自基因組的基因與計算機結(jié)合成功能網(wǎng)絡(luò)。葉和根群落中存在的細菌物種的概況的相似性對應(yīng)于由相應(yīng)基因組編碼的功能能力的廣泛重疊。今天這樣的實驗是可能的，因為許多基因的生物化學(xué)功能是已知的，

由于基因組編碼功能的廣泛重疊和物種概況的相似性，Vorholt和Schulze-Lefert得出結(jié)論，大多數(shù)葉和根相關(guān)細菌來自極其多樣的土壤微生物群。這表明植物的葉子主要由土壤來源的細菌通過根作為停留點定殖。

然而，還可以觀察由葉和根相關(guān)細菌的基因組編碼的功能差異。這些涉及葉和根的生態(tài)位的明顯差異。例如，這可以從以葉和根上存在的復(fù)合碳水化合物為食的細菌基因來解釋; 根微生物群需要更少的這些，因為只有根部散發(fā)出大量的單糖。

科學(xué)家們還進行了微生物群重建實驗。為此，他們使用封閉的人工環(huán)境，用無菌粘土作為土壤替代品，無有機碳的無菌液體營養(yǎng)培養(yǎng)基和無菌擬南芥種子。在透明的無菌室中進行培養(yǎng)，在不同的時間點接種確定的細菌群落。Schulze-Lefert說：“雖然這個系統(tǒng)是高度人工的，但是葉子和樹根的群落與自然界植物群落非常相似。”

即使將定義的微生物群接種物添加到粘土中或單獨添加到葉子上，葉或根微生物群也能夠不僅在其相應(yīng)的植物器官中居住，而且在相當大的程度上也能夠在遠處定位的葉和根器官中繁殖。如果將葉和根微生物群混合然后施用于粘土，則根微生物群對根中的葉衍生細菌群落進行競爭。葉片中的葉子微生物群存在相應(yīng)的競爭優(yōu)勢。這表明細菌群落對葉和根生態(tài)位的特化，盡管葉和根微生物群之間存在廣泛的功能重疊。

科學(xué)家們正處于這些微生物群重建實驗的早期階段。他們現(xiàn)在可以從確定的微生物群中遺漏單個細菌物種或整個家族，并在不同的環(huán)境脅迫條件下對其進行測試。他們期望這種受控的擾動實驗將為細菌群落如何動員和提供植物生長的土壤養(yǎng)分以及微生物如何保護其宿主抵抗微生物病原體提供分子見解。