能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(伯克利實驗室)和加州大學(xué)伯克利分校的研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著植物的發(fā)育，他們制造根微生物組，有利于消耗特定代謝物的微生物。他們的研究可以幫助科學(xué)家確定增強土壤微生物組的方法，以提高碳儲存和植物生產(chǎn)力。

“一個多世紀以來，人們都知道植物會影響土壤微生物組的構(gòu)成，部分是通過代謝物釋放到根部周圍的土壤中，”伯克利實驗室博士后研究員Kateryna Zhalnina說道，該研究的主要作者。“然而，到目前為止，尚未了解植物釋放的這種雞尾酒的含量是否與土壤微生物的攝食偏好相匹配，從而使植物能夠指導(dǎo)其外部微生物群的發(fā)育。”

這項研究“動態(tài)根系分泌物化學(xué)和微生物基質(zhì)偏好驅(qū)動根際微生物群落組裝模式”剛剛發(fā)表在“自然微生物學(xué)”雜志上。相應(yīng)的作者是伯克利實驗室的科學(xué)家Trent Northen和Eoin Brodie。

土壤中的微生物改善了植物吸收養(yǎng)分和抵抗干旱，疾病和害蟲的能力。它們介導(dǎo)土壤碳轉(zhuǎn)化，影響土壤中儲存的碳量或以二氧化碳的形式釋放到大氣中。正在以前所未有的方式觀察這些功能與農(nóng)業(yè)和氣候的相關(guān)性。

只有一克土壤含有數(shù)萬種微生物。科學(xué)家們早就知道，植物通過輸出化學(xué)物質(zhì)(代謝物)來影響其根周圍區(qū)域的土壤微生物組成。加州大學(xué)伯克利分校的伯克利實驗室教授科學(xué)家和微生物學(xué)教授Mary Firestone先前的研究表明植物在根區(qū)一直選擇或抑制相同類型的微生物，這表明植物與微生物組發(fā)育之間存在某種形式的同步。 。

然而，很少有研究涉及植物釋放的特定代謝物與消耗它們的微生物之間的關(guān)系。這項新研究匯集了土壤科學(xué)，微生物和植物基因組學(xué)以及代謝組學(xué)方面的專家，以探索這些潛在的代謝聯(lián)系。他們的研究仔細研究了加利福尼亞州和其他地中海生態(tài)系統(tǒng)中常見的一年生草(Avena barbata)的根際。

伯克利實驗室團隊認為這樣做的時機已經(jīng)成熟。隨著農(nóng)民種植足夠的健康作物以滿足不斷增長的人口需求的壓力，以及改善土壤碳儲存以減少大氣中二氧化碳和生產(chǎn)健康土壤的新土地管理策略，土壤微生物組成為更深入的科學(xué)研究的主題比以往任何時候都。

研究人員著手確定在草根附近始終開花的微生物與植物釋放的代謝物之間的關(guān)系。他們的第一步是從加利福尼亞州北部的Hopland研究和推廣中心收集土壤。伯克利實驗室氣候與生態(tài)系統(tǒng)科學(xué)部副主任布羅迪和他的小組利用他們對這些土壤細菌生活方式的了解，開發(fā)出專門的微生物生長培養(yǎng)基，培育出數(shù)百種不同的細菌。然后他們選擇了一個子集，隨著根系在土壤中生長而繁榮或下降。

然后將這一系列微生物送到美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室聯(lián)合基因組研究所(JGI)，在那里對它們的基因組進行測序，以提供關(guān)于它們對根的反應(yīng)不同的線索。這項分析表明，在根際繁殖的微生物成功的關(guān)鍵是他們的飲食。

伯克利實驗室的環(huán)境基因組學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué)部門的資深科學(xué)家Northen對微生物組的化學(xué)著迷，他的團隊開發(fā)了先進的基于質(zhì)譜的外代謝組學(xué)方法來闡明生物體之間的代謝相互作用。Zhalnina和Northen結(jié)合他們的專業(yè)知識來確定圍繞阿韋納草的根部更成功的微生物更喜歡吃什么。

使用JGI的水培裝置，他們將植物浸入不同發(fā)育階段的水中以刺激它們散發(fā)其代謝物，然后使用質(zhì)譜法測量植物釋放的代謝物。隨后，培養(yǎng)的土壤微生物被喂食一種根代謝物混合物，研究人員使用質(zhì)譜法確定哪種微生物優(yōu)選哪種代謝物。

他們發(fā)現(xiàn)，在植物根部周圍繁盛的微生物更喜歡富含有機酸的飲食，而不是社區(qū)中不太成功的微生物。

“在其生長周期的早期，該工廠正在推出大量糖類，'糖果'，我們發(fā)現(xiàn)許多微生物都喜歡，”Northen說。“隨著植物的成熟，它釋放出更多樣化的代謝物混合物，包括酚酸。我們發(fā)現(xiàn)，在根際變得更豐富的微生物是可以使用這些芳香代謝物的微生物。”

Brodie將這些酚酸描述為植物在整個發(fā)育過程中釋放的非常特殊的化合物。酚酸通常與植物防御或植物 - 微生物通信有關(guān)。這向Brodie表明，當(dāng)他們在根際建立微生物群落時，植物可能會滲出像酚酸這樣的代謝物，幫助他們控制在根部周圍繁殖的微生物類型。

“我們長期以來一直認為植物正在建立最適合其生長和發(fā)育的根際，”Brodie說。“因為土壤中有這么多不同類型的微生物，如果植物只釋放任何化學(xué)物質(zhì)，它可能對它們的健康有害。

“通過控制在根部周圍茁壯成長的微生物類型，植物可能會試圖保護自己免受不太友好的病原體的侵害，同時促進刺激營養(yǎng)供應(yīng)的其他微生物。”

Zhalnina，F(xiàn)irestone，Northen和Brodie相信他們的研究結(jié)果具有影響其他科學(xué)和應(yīng)用研究的巨大潛力。Zhalnina指出，政府和工業(yè)目前正在進行大量的研究和開發(fā)，以利用提高植物產(chǎn)量和土壤質(zhì)量的微生物的力量，以幫助滿足社會對可持續(xù)食品供應(yīng)日益增長的需求。

她說：“令人興奮的是，我們可以利用植物自身的化學(xué)成分來幫助滋養(yǎng)土壤中的有益微生物。特別是，人口增長需要找到更可靠的方法來操縱土壤微生物群以獲得有益的結(jié)果。”