土壤微生物組普查

許多人經歷了室內植物的神秘死亡。盡管有充足的水和陽光，但似乎仍在土壤表面下發生了一些看不見的東西，從而破壞了植物的健康。正如微生物群落生活在人類腸道中并影響人類健康一樣，細菌和真菌的所謂土壤微生物組從根部開始就直接影響植物健康。

在我們不斷變化的氣候中，對健康的土壤微生物組的透徹了解將使農作物更具韌性，從而獲得更多可持續的食物來源。現在，由加州理工學院的研究人員領導的一個團隊開發了一種新的計算技術，用于分析土壤樣品中存在的DNA，以便調查存在的微生物種類。該技術已經揭示了保護植物免受病原真菌侵害的細菌種類的新見解。

這項工作是在Dianne Newman，Gordon M. Binder / Amgen生物和地球生物學教授以及分子生物學執行官的實驗室中完成的。Newman是Caltech Resnick Sustainability Institute的生態與生物圈工程計劃負責人。

紐曼說：“盡管在過去十年中在了解人類微生物組方面取得了長足進步，但我們對土壤微生物組的比較了解卻落在了后面。” “然而，土壤是至關重要的微生物庫，因為它與糧食安全，養分和水分保持以及全球碳預算直接相關。”

在博士后學者丹尼爾·達爾(Daniel Dar)的領導下，這項新研究提出了一種計算算法，用于分析土壤和根部樣品中的DNA，以定量確定具有特定功能特征的細菌的數量。土壤微生物組通常被稱為“微生物暗物質”，因為其中許多物種無法在實驗室中輕易培養。因此，獲取土壤樣本并嘗試從中生長細菌不是確定存在哪種物種的可靠方法。Dar的計算方法與環境中的DNA測序技術相結合，使微生物學家能夠調查樣品中存在的細菌和真菌的復雜種群，并準確地量化攜帶特定基因(例如抗生素基因)的成員的豐度。

特別是，該團隊對使用這種方法測量產生抗生素和抗真菌分子(稱為吩嗪類)的某些細菌的豐度感興趣。這些細菌占據根際(植物根部周圍土壤中的營養豐富的棲息地)，而吩嗪充當抵御病原微生物的防線，以防止它們也侵入該空間。該植物還可以從產生吩嗪的細菌中受益，因為其根部受到保護，免受感染性有害真菌的侵害。

為了測試其計算算法的準確性，Dar與美國農業部農業研究局的合作者Linda Thomashow和David Weller合作。Thomashow和Weller維護并仔細監視位于華盛頓州商業麥田附近的實驗性小麥田，并發現在生產健康植物的土壤中經常存在產生吩嗪的物種，稱為熒光假單胞菌。研究人員對這些小麥??田中的環境DNA進行了測序，發現Dar的算法正確地量化了熒光假單胞菌的豐度，從而驗證了該新計算方法在該領域的有效性。但是令人驚訝的是，該算法還揭示了來自鏈霉菌屬的一組大量不同的產生吩嗪的細菌。這表明吩嗪在田間的保護作用可以由多種物種介導。這些物種現在可以成為目標實驗室實驗的主題。

接下來，研究小組轉向從全球數百種不同土壤和植物環境中獲得的公開存放的DNA序列數據集。這些環境包括天然和農業土壤，以及小麥，玉米和甘蔗等主食作物的根部微生物群落。該小組通過他們的算法對這些數據集進行了研究，發現在許多環境中，生產吩嗪的細菌非常豐富，尤其是富含農作物相關微生物。該算法還揭示了另一個驚喜：在農作物中，尤其是玉米中，有一種以前未鑒定的生產吩嗪的物種，即Dyella japonica。

該團隊在實驗室中使用基因組學，遺傳學和其他實驗技術對Dyella進行了檢查，以定義其產生的吩嗪的類型，產生該化合物的條件以及所涉及的基因。研究人員使用先進的顯微鏡技術發現了Dyella與玉米之間的密切關系。微生物位于植物的根部而不是表面，這在生產吩嗪的生物中更為常見，并且沿著根毛的尖端分布著許多微生物營養。

達爾說：“了解構成健康的土壤微生物組的物種有一天可以自然地'改造'作物環境，以提高作物的產量，” “這些發現強化了吩嗪是作物健康的重要分子的理論。”

該論文的標題是“吩嗪生物合成和生物降解的全球格局揭示了農業土壤和作物微生物群落中特定物種的定殖模式”。Dar是該論文的第一作者。Thomashow，Weller和Newman是合著者。紐曼是該研究的資深通訊作者。資金由美國國立衛生研究院，陸軍研究辦公室，羅斯柴爾德基金會，EMBO，海倫·海·惠特尼基金會以及加州理工學院的地質與行星科學部提供。