土壤微生物组普查

许多人经历了室内植物的神秘死亡。尽管有充足的水和阳光，但似乎仍在土壤表面下发生了一些看不见的东西，从而破坏了植物的健康。正如微生物群落生活在人类肠道中并影响人类健康一样，细菌和真菌的所谓土壤微生物组从根部开始就直接影响植物健康。

在我们不断变化的气候中，对健康的土壤微生物组的透彻了解将使农作物更具韧性，从而获得更多可持续的食物来源。现在，由加州理工学院的研究人员领导的一个团队开发了一种新的计算技术，用于分析土壤样品中存在的DNA，以便调查存在的微生物种类。该技术已经揭示了保护植物免受病原真菌侵害的细菌种类的新见解。

这项工作是在Dianne Newman，Gordon M. Binder / Amgen生物和地球生物学教授以及分子生物学执行官的实验室中完成的。Newman是Caltech Resnick Sustainability Institute的生态与生物圈工程计划负责人。

纽曼说：“尽管在过去十年中在了解人类微生物组方面取得了长足进步，但我们对土壤微生物组的比较了解却落在了后面。” “然而，土壤是至关重要的微生物库，因为它与粮食安全，养分和水分保持以及全球碳预算直接相关。”

在博士后学者丹尼尔·达尔(Daniel Dar)的领导下，这项新研究提出了一种计算算法，用于分析土壤和根部样品中的DNA，以定量确定具有特定功能特征的细菌的数量。土壤微生物组通常被称为“微生物暗物质”，因为其中许多物种无法在实验室中轻易培养。因此，获取土壤样本并尝试从中生长细菌不是确定存在哪种物种的可靠方法。Dar的计算方法与环境中的DNA测序技术相结合，使微生物学家能够调查样品中存在的细菌和真菌的复杂种群，并准确地量化携带特定基因(例如抗生素基因)的成员的丰度。

特别是，该团队对使用这种方法测量产生抗生素和抗真菌分子(称为吩嗪类)的某些细菌的丰度感兴趣。这些细菌占据根际(植物根部周围土壤中的营养丰富的栖息地)，而吩嗪充当抵御病原微生物的防线，以防止它们也侵入该空间。该植物还可以从产生吩嗪的细菌中受益，因为其根部受到保护，免受感染性有害真菌的侵害。

为了测试其计算算法的准确性，Dar与美国农业部农业研究局的合作者Linda Thomashow和David Weller合作。Thomashow和Weller维护并仔细监视位于华盛顿州商业麦田附近的实验性小麦田，并发现在生产健康植物的土壤中经常存在产生吩嗪的物种，称为荧光假单胞菌。研究人员对这些小麦​​田中的环境DNA进行了测序，发现Dar的算法正确地量化了荧光假单胞菌的丰度，从而验证了该新计算方法在该领域的有效性。但是令人惊讶的是，该算法还揭示了来自链霉菌属的一组大量不同的产生吩嗪的细菌。这表明吩嗪在田间的保护作用可以由多种物种介导。这些物种现在可以成为目标实验室实验的主题。

接下来，研究小组转向从全球数百种不同土壤和植物环境中获得的公开存放的DNA序列数据集。这些环境包括天然和农业土壤，以及小麦，玉米和甘蔗等主食作物的根部微生物群落。该小组通过他们的算法对这些数据集进行了研究，发现在许多环境中，生产吩嗪的细菌非常丰富，尤其是富含农作物相关微生物。该算法还揭示了另一个惊喜：在农作物中，尤其是玉米中，有一种以前未鉴定的生产吩嗪的物种，即Dyella japonica。

该团队在实验室中使用基因组学，遗传学和其他实验技术对Dyella进行了检查，以定义其产生的吩嗪的类型，产生该化合物的条件以及所涉及的基因。研究人员使用先进的显微镜技术发现了Dyella与玉米之间的密切关系。微生物位于植物的根部而不是表面，这在生产吩嗪的生物中更为常见，并且沿着根毛的尖端分布着许多微生物营养。

达尔说：“了解构成健康的土壤微生物组的物种有一天可以自然地'改造'作物环境，以提高作物的产量，” “这些发现强化了吩嗪是作物健康的重要分子的理论。”

该论文的标题是“吩嗪生物合成和生物降解的全球格局揭示了农业土壤和作物微生物群落中特定物种的定殖模式”。Dar是该论文的第一作者。Thomashow，Weller和Newman是合著者。纽曼是该研究的资深通讯作者。资金由美国国立卫生研究院，陆军研究办公室，罗斯柴尔德基金会，EMBO，海伦·海·惠特尼基金会以及加州理工学院的地质与行星科学部提供。