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科學(xué)家揭示土壤微生物組的組成和特性
點(diǎn)擊次數(shù)：1085 發(fā)布時(shí)間：2020-11-20
相信有很多人都經(jīng)歷過室內(nèi)植物的突然死亡，盡管有充足的水分和陽光，但土壤下面似乎會發(fā)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(xì)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(fā)更具適應(yīng)性的作物，從而為人類提供更可持續(xù)性的食物來源，這項(xiàng)研究中，研究人員開發(fā)了一種新型的計(jì)算機(jī)分析技術(shù)來分析土壤樣本中存在的DNA，以此來調(diào)查土壤中的微生物種類型，該技術(shù)還能為揭示保護(hù)植物免于致病性真菌侵襲的細(xì)菌種類提供新的思路。
研究者Newman說道，盡管在過去幾十年里科學(xué)家們在人類微生物組方面取得了重要的進(jìn)展，但我們對土壤微生物組的研究卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后，鑒于土壤與食品安全、養(yǎng)分、水分保持以及碳預(yù)算之間存在密切關(guān)聯(lián)，因此土壤是一個(gè)非常重要且值得深入研究的微生物儲存庫。這項(xiàng)研究中，研究人煙利用計(jì)算機(jī)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(xì)菌豐度，土壤微生物組通常被稱為“微生物暗物質(zhì)”因?yàn)楹芏辔⑸锖茈y在實(shí)驗(yàn)室條件下被培養(yǎng)，因此，采集土壤樣本并試圖從其中分離到細(xì)菌似乎并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(jì)算機(jī)方法與環(huán)境DNA測序技術(shù)相結(jié)合，分析了樣本中細(xì)菌和真菌的復(fù)雜組成，并準(zhǔn)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。
研究人員非常感興趣利用這種方法來測定能產(chǎn)生抗生素和抗真菌分子（吩嗪）的特定細(xì)菌的種類，這些細(xì)菌占據(jù)了植物根部周圍土壤營養(yǎng)豐富的棲息地—根系層，而吩嗪作為一種抵御病原微生物的一道防線能夠防止病原體的入侵，由于植物根部得到了保護(hù)免于有害真菌的侵襲，植物也能從產(chǎn)吩嗪的細(xì)菌中獲得益處。為了檢測這種計(jì)算機(jī)算法的準(zhǔn)確性，研究人員對實(shí)驗(yàn)性小麥進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生吩嗪的熒光假單胞菌通常存在于生長健康植物的土壤中，隨后研究者對小麥生長土壤中的環(huán)境DNA進(jìn)行測序，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這種新型算法能準(zhǔn)確量化熒光假單胞菌的豐度，同時(shí)還能驗(yàn)證這種計(jì)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(fā)現(xiàn)了另外一種產(chǎn)吩嗪細(xì)菌的豐度，即鏈霉菌屬，這就表明，土壤中吩嗪的保護(hù)性效應(yīng)或許能優(yōu)多種物種所介導(dǎo)，這些物種將會成為后期更有針對性實(shí)驗(yàn)的對象。隨后研究者轉(zhuǎn)向分析DNA序列數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)均是通過從數(shù)百種土壤和植物的環(huán)境中所獲取的，這些環(huán)境包括自然和農(nóng)業(yè)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(yùn)行了這些數(shù)據(jù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)吩嗪的細(xì)菌在很多環(huán)境中都較為豐富，尤其是，其在作物相關(guān)的微生物組中都很豐富，此外該算法還發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)驚喜，即一種此前未被描述過的產(chǎn)吩嗪的物種Dyella japonica在農(nóng)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(xué)和其它實(shí)驗(yàn)技術(shù)分析了Dyella菌屬來定義其所產(chǎn)生吩嗪的類型、產(chǎn)生該化合物的條件以及所涉及的基因；利用先進(jìn)的顯微鏡技術(shù)，研究人員分析了Dyella菌屬和玉米之間的親密關(guān)系，這種微生物位于植物的根部而并非表面，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(huán)境從而改善作物的產(chǎn)量，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)也加強(qiáng)了吩嗪作為作物健康重要分子的重要理論。