雖然這朵花可能會吸引蜜蜂和路人的眼睛，但它卻是地下生活中看不見的復雜網(wǎng)絡。棲息在根際和內(nèi)生的微生物群落或微生物群 - 植物根部周圍和內(nèi)部的生態(tài)位 - 促進營養(yǎng)物和信息穿梭進出土壤基質(zhì)中的根部。通過使植物適應其直接環(huán)境，這種商業(yè)活動有助于植物健康和生長，防御害蟲，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并沒有像人們在人體內(nèi)部和表面上表征微生物種群的作用那樣得到關注，最近出版的“ 自然 ” 雜志。由美國能源部聯(lián)合基因組研究所(DOE JGI)和北卡羅來納大學(UNC)教堂山的研究人員帶領，該研究于2012年8月2日發(fā)表，揭示了推動這種“植物”地下形成的機制。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。

“了解指導根微生物組形成的規(guī)則可能會對農(nóng)業(yè)的成功和我們對碳循環(huán)的理解做出重大貢獻，”資深作者Jeff Dangl，霍華德休斯醫(yī)學研究所(HHMI)調(diào)查員和UNC的John N. Couch說。生物學教授。“科學長期以來一直著迷于植物與微生物之間的關系，從致病性到互惠互利。根據(jù)我們的結果，我們正在為這個復雜的景觀添加新的細節(jié)。“

該團隊還包括德國不來梅大學，康奈爾大學和澳大利亞昆士蘭大學的研究人員，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，以及當他們被迫服務。

“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，更精細的指示 - 我們定義了可重復吸引植物根系的微生物類群，以及植物允許滲透到根部的微生物類群，可能是交換營養(yǎng)或其他好處，“Dangl說。

該團隊的方法將Dangl實驗室強大的實驗設計與DOE JGI深層基因組測序和復雜微生物群落分析的強大功能相結合。共同作者，DOE JGI的Metagenome計劃負責人Susannah Tringe說，微生物組可以被視為植物基因組的延伸。“根際是一個相互依賴的動態(tài)微觀世界。在我們了解其相關微生物組的功能能力和控制組裝的驅(qū)動因素之前，我們無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)部和周圍發(fā)揮關鍵作用的方式一樣，我們也在植物基因組學中采用與宿主相關的宏基因組學概念，因為它最終將導致預測性干預，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圍土壤中的微生物進行了嚴格的評估。研究小組認為，研究結果可以促進基于社區(qū)的植物益生菌策略的制定。例如，代替噴灑殺蟲劑或肥料處理，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??型中感興趣的作物植物的生產(chǎn)力。

雄心勃勃的實驗針對來自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“實驗室老鼠”是第一個對其進行基因組測序的植物，并且在實驗室中快速且容易地生長。植物在兩種不同的土壤類型中生長，然后從盆中取出完整的植物根系并搖動以除去非根際土壤。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入內(nèi)部深處的微生物。然后研究人員從這三個區(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簽。在一次計算之旅中研究人員通過大量的土壤，根 - 土界面和根 - 細胞室 - 大量的序列數(shù)據(jù)篩選了超過1,200個樣本，構成了大約20億個高質(zhì)量DNA代碼的基礎 - 通過開發(fā)一個系統(tǒng)模型來組裝這個難題。使團隊能夠量化每個變量對社區(qū)組成的貢獻。

研究人員開始假設植物根系通過其物理結構和分子的釋放，創(chuàng)造出一種在化學和微生物學上與其生長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于個體寄主植物'基因型'，”Dangl說。“幾種微生物在根部和根部比在土壤中更常見，這表明可重復的定植和潛在的共生。我們還證實了所有根際和內(nèi)生區(qū)室的預期結果，無論土壤類型或基因型如何，都組成了一個與土壤不同的微生物群落。我們的研究結果表明，土壤細菌群體的一部分通常通過植物發(fā)出的生物物理和/或生物化學信號在根際樣本中富集。

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

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

“這開啟了一扇寬闊的大門，通過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聯(lián)表型的宿主基因 - 主要農(nóng)藝學興趣的基因。”Tringe說。“居住在這個利基市場的微生物群既可以受益，又可以破壞植物的健康。改變這種平衡會影響作物的成功。例如，一些微生物可能為植物提供營養(yǎng)和激素，可以改善植物生長，抑制害蟲，增加對干旱等脅迫的抵抗力，而其他微生物可能是隱秘的病原體。

根際宏基因組學的努力一直在整個植物和微生物研究界獲得關注和支持。佐治亞大學的教授杰夫·貝內(nèi)岑(Jeff Bennetzen)表示同意，他的實驗室研究了木質(zhì)纖維素生物燃料生產(chǎn)的宏基因組學等相關主題。“這項工作是一個巨大的和令人興奮的創(chuàng)業(yè)第一步進入未知領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)主機的基因組。”

根際項目源自2008年國家科學院國家研究委員會題為“國家植物基因組計劃的成果[NPGI]和植物生物學新視野”的研究報告。該出版物指出“基因組序列是用于植物基因組科學中心的功能，進化和轉化工具開發(fā)的原材料，“并且，”與植物相關的宏基因組學的類似大規(guī)模投資是合理的，因為植物相關微生物群落的多樣性及其對植物生產(chǎn)力...... [f]或例如，與候選多年生生物燃料作物相關的微生物群落。“該研究還承認，”能源部聯(lián)合基因組研究所(JGI)在為NPGI服務方面發(fā)揮的獨特作用至關重要“。

該團隊目前正在進行一項更大規(guī)模的長期研究，由HHMI，Gordon和Betty Moore基金會，國家科學基金會和DOE科學辦公室支持，以確定三個重要模型植物的根相關微生物組物種遍布各種地理位置和生態(tài)條件。