隨著全球人口的增加，預(yù)計(jì)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(duì)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(guó)能源部(DOE)聯(lián)合基因組研究所(JGI)，美國(guó)能源部科學(xué)用戶(hù)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(duì)位于教堂山(北卡羅來(lái)納州)的卡羅萊納州利用一系列細(xì)菌基因組來(lái)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(shuí)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(shí)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(jì)合適的微生物組以支持植物生長(zhǎng)，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(shuō)。“在這里，我們使用了大量的基因組和計(jì)算工作來(lái)解決基本和重要的問(wèn)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(lái)自北卡羅萊納大學(xué)，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(shù)(135)和玉米(51)的根系環(huán)境中分離出新的細(xì)菌。然后對(duì)這些377種細(xì)菌分離物的基因組以及來(lái)自擬南芥根的另外107種單細(xì)菌細(xì)胞進(jìn)行測(cè)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(lái)，并將來(lái)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(gè)基因組的數(shù)據(jù)庫(kù)，其中1160個(gè)來(lái)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?yàn)橹挥羞@樣我們才有機(jī)會(huì)合理地設(shè)計(jì)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(lái)種植更多的糧食和能源作物。殺蟲(chóng)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(lái)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(shuō)。

從該研究中獲得的關(guān)鍵見(jiàn)解是植物和土壤相關(guān)的基因組往往比來(lái)自同一進(jìn)化枝的對(duì)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?，可能是?duì)自然界“糖果工廠(chǎng)”產(chǎn)生的光合作用植物碳的適應(yīng)，Asaf Levy說(shuō)。植物通過(guò)光合作用固定的高達(dá)20%的碳通過(guò)根滲出作為糖來(lái)吸引微生物。

還鑒定了許多似乎模擬植物功能的基因 - 通過(guò)編碼“植物類(lèi)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(shuō)。“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(gè)部分有缺陷的齒輪放入輪子中 - 輪子不能再轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìng)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(chēng)為“Jekyll”; 另一種，在致病菌中發(fā)現(xiàn)，被命名為“Hyde。”與來(lái)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(jìng)爭(zhēng)細(xì)菌，可能有助于這些“Hydes”接管葉子利基。伯克利實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)新與合作辦公室(IPO)已經(jīng)為該家族提交了一項(xiàng)專(zhuān)利申請(qǐng)，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(yàn)和資源，將產(chǎn)品推向市場(chǎng)，推動(dòng)JGI及其研究合作者的發(fā)現(xiàn)。