eLife剖析!科學家揭示土壤微生物組的組成和特性!

2020-11-24 生物谷

2020年10月31日 訊 /生物谷BIOON/ --日前，一篇發表在國際雜誌eLife上題為「Global landscape of phenazine biosynthesis and biodegradation reveals species-specific colonization patterns in agricultural soils and crop microbiomes」的研究報告中，來自加州理工學院等機構的科學家們通過研究深入分析了土壤中微生物組的組成及特性。

相信有很多人都經歷過室內植物的突然死亡，儘管有充足的水分和陽光，但土壤下面似乎會發生一些看不見的事件，其會破壞植物的健康，這就好像生活在人類腸道中的微生物群落一樣會影響人類的健康，由細菌和真菌組成的土壤微生物組也會密切影響植物的健康。在人類不斷變化的氣候中，深入理解健康的土壤微生物組或許有望幫助開發更具適應性的作物，從而為人類提供更可持續性的食物來源，這項研究中，研究人員開發了一種新型的計算機分析技術來分析土壤樣本中存在的DNA，以此來調查土壤中的微生物種類型，該技術還能為揭示保護植物免於致病性真菌侵襲的細菌種類提供新的思路。

研究者Newman說道，儘管在過去幾十年裡科學家們在人類微生物組方面取得了重要的進展，但我們對土壤微生物組的研究卻遠遠滯後，鑑於土壤與食品安全、養分、水分保持以及全球碳預算之間存在密切關聯，因此土壤是一個非常重要且值得深入研究的微生物儲存庫。這項研究中，研究人煙利用計算機算法分析了土壤和植物根部樣本中的DNA，來定量攜帶特殊功能特性的細菌豐度，土壤微生物組通常被稱為「微生物暗物質」因為很多微生物很難在實驗室條件下被培養，因此，採集土壤樣本並試圖從其中分離到細菌似乎並不是一種能確定土壤中微生物組成的可靠方法，文章中，研究人員將計算機方法與環境DNA測序技術相結合，分析了樣本中細菌和真菌的複雜組成，並準確定量了攜帶特殊基因（比如編碼抗生素基因）的微生物成員的豐度。

圖片來源：D. Dar

研究人員非常感興趣利用這種方法來測定能產生抗生素和抗真菌分子（吩嗪）的特定細菌的種類，這些細菌佔據了植物根部周圍土壤營養豐富的棲息地—根系層，而吩嗪作為一種抵禦病原微生物的一道防線能夠防止病原體的入侵，由於植物根部得到了保護免於有害真菌的侵襲，植物也能從產吩嗪的細菌中獲得益處。為了檢測這種計算機算法的準確性，研究人員對實驗性小麥進行了監測，結果發現，產生吩嗪的螢光假單胞菌通常存在於生長健康植物的土壤中，隨後研究者對小麥生長土壤中的環境DNA進行測序，結果發現，這種新型算法能準確量化螢光假單胞菌的豐度，同時還能驗證這種計算方法在田間土壤中的功效。

讓研究人員驚訝的是，這種新算法還發現了另外一種產吩嗪細菌的豐度，即鏈黴菌屬，這就表明，土壤中吩嗪的保護性效應或許能優多種物種所介導，這些物種將會成為後期更有針對性實驗的對象。隨後研究者轉向分析DNA序列資料庫，資料庫中的數據均是通過從全球數百種土壤和植物的環境中所獲取的，這些環境包括自然和農業土壤、諸如小麥等主食植物的根部微生物組等，研究者通過算法運行了這些數據，結果發現，產吩嗪的細菌在很多環境中都較為豐富，尤其是，其在作物相關的微生物組中都很豐富，此外該算法還發現了另一個驚喜，即一種此前未被描述過的產吩嗪的物種Dyella japonica在農作物中非常豐富，尤其是玉米中。

研究人員利用基因組、遺傳學和其它實驗技術分析了Dyella菌屬來定義其所產生吩嗪的類型、產生該化合物的條件以及所涉及的基因；利用先進的顯微鏡技術，研究人員分析了Dyella菌屬和玉米之間的親密關係，這種微生物位於植物的根部而並非表面，研究者Dar說道，理解組成健康土壤微生物組的物種未來或有望幫助工程化改造作物的土壤環境從而改善作物的產量，相關研究發現也加強了吩嗪作為作物健康重要分子的重要理論。（生物谷Bioon.com）

參考資料：

【1】Daniel Dar， Linda S Thomashow， David M Weller， et al. Global landscape of phenazine biosynthesis and biodegradation reveals species-specific colonization patterns in agricultural soils and crop microbiomes， eLife (2020). DOI： 10.7554/eLife.59726

【2】A census of the soil microbiome

by Lori Dajose， California Institute of Technology

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