DNA测序技术助力植物微生物组研究
没有哪种生物是孤立的——这一事实也适用于植物。健康的植物具有复杂的微生物群落，包括超过100种细菌，它们在植物的生长和健康中扮演重要角色。植物只允许使用一个选择的细菌群落，命名为微生物组（microbiota），主要来源于自然土壤中存在的微生物的广泛多样性。
最近，德国马克斯普朗克植物育种研究所的研究人员，与瑞士的科学家一起，将模式植物拟南芥（Arabidopsis thaliana）叶片和根中发现的细菌，培育出了超过一半。利用纯培养中的这400多种细菌菌株的代表性集合，研究人员现在可以在实验室设置中，重建拟南芥根和叶中的任何微生物组。这一研究成果，标志着使用定义微生物组的植物微生物生态学开启了一个新时代。相关研究结果发表在最近的《Nature》杂志。
植物微生物组这个相对年轻的研究领域，旨在产生植物相关微生物群落的详细目录。著名植物生物学家、马克斯普朗克植物育种研究所的Paul Schulze-Lefert教授和苏黎世联邦理工大学的Julia Vorholt及其他们的同事，现在已经向这个目标迈出了重要一步。该研究小组将在自然界生长的拟南芥根和叶中定植的细菌，培养出了超过一半，并建立了细菌菌株的一个集合，有了这些菌株，就可以在无菌植物上重建叶片和根系微生物组。
实验室产生的细菌群落和自然界的细菌群落之间，具有惊人的相似性，这为微生物群重建生物学打开了大门。使用这种定义的微生物群，使我们首次能够在控制的环境条件下控制微生物群的扰动，而没有自然界种因环境波动而不可避免的变幻莫测。
这两位科学家培养出了根系中发现的高达百分之65的细菌，和叶片微生物群中发现的高达百分之54的细菌。然而，根据微生物生态学中公认的看法，不可能从自然环境样品中培养超过百分之一的细菌。Schulze-Lefert说：“这是完全错误的。我们从细菌培养研究中得知，我们的主要培养物，包含了微生物群中存在的大部分细菌，并为天然根、叶微生物组的分类多样性，提供了一个很好的代表。这个集合可能并不完美，但它为微生物组重建实验提供了一个很好的出发点。”
根据对细菌种类进行更仔细的检查，Schulze-Lefert和Vorholt观察到，拟南芥叶片和根系中发现的微生物群落之间，有相当大的相似性。Schulze-Lefert解释说：“几乎一半的物种是相同的。”尽管根系微生物的样品是在科隆收集，叶片微生物群的样品是在苏黎世和宾根收集，但是，如果你从一个更高的分类学角度来考虑根和叶微生物群，即从目前细菌科类的水平，则根本没有任何差异。因此，在不同的自然环境，微生物组具有很强的稳健性。”
研究小组通过DNA测序，确定了他们这个集合中的432个细菌分离株，并对其进行了比较。Schulze-Lefert说：“我们不仅有纯培养用于重建实验，而且我们也知道，我们这个集合中每一个群落成员的基因组。”科学家就能够比较叶片和根系微生物群落的生化功能。为此，他们将来自基因组的基因，与一个计算机组合成为功能网络。根、叶微生物群中细菌种类的相似性，相当于相应基因组编码的功能能力的一个广泛重叠。这样的实验在今天是可能的，因为许多基因的生化功能是已知的。
由于基因组编码的功能能力的广泛重叠，和物种分布的相似性，Vorholt和Schulze-Lefert认为，大多数的根、叶相关细菌，起源于非常不同的土壤微生物区。这表明，一种植物的叶子主要被来自土壤的细菌所统治，通过根系作为中途停留。
然而，也有可能观察到由叶和根相关细菌的基因组所编码的功能差异。这些与根、叶小生境的明显差异有关。
科学家们还进行了微生物组的重建实验。为此，他们使用一个封闭的人工环境，用无菌粘土作为土壤的替代品，和无菌的拟南芥种子。培养是在透明的无菌室中进行的，在不同的时间点上被接种了定义的细菌群落。Schulze-Lefert说：“虽然系统是高度人工化的，但是根、叶部的微生物组，与生长在自然界的植物中的微生物组，都是非常相似的。”
即使定义的微生物组接种液被添加到粘土，叶片或根部的微生物组，不仅能够居住在对应的植物器官，而且在相当大的程度上，也能居住在远处的叶片和根器官。如果叶片和根系微生物进行混合，然后应用于粘土，根系微生物群要优于根部的叶来源细菌群落。叶片中的叶微生物组存在一个相应的竞争优势。
科学家们表示，这些微生物的重建实验处于早期阶段。他们现在可以将单个细菌物种或整个细菌家族从定义的微生物群中忽略掉，并在不同的环境压力条件下检测它们。他们认为，这样的控制扰动实验，将对“细菌群落如何组织并为植物生长提供土壤养分，以及微生物组如何保护其宿主抵抗微生物致病体”，提供了一定的分子见解。
参考文献：Bai Y, Müller D.B.,,Vorholt J.A., Schulze-Lefert P. Functional overlap of the Arabidopsis leaf and root microbiota. Nature, published online 02 December 2015. doi:10.1038/nature16192.
本文来源于：生物通/王英
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