許多人經(jīng)歷了室內(nèi)植物的神秘死亡。盡管有充足的水和陽(yáng)光，但似乎仍在土壤表面下發(fā)生了一些看不見(jiàn)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(lèi)腸道中并影響人類(lèi)健康一樣，細(xì)菌和真菌的所謂土壤微生物組從根部開(kāi)始就直接影響植物健康。

在我們不斷變化的氣候中，對(duì)健康的土壤微生物組的透徹了解將使農(nóng)作物更具韌性，從而獲得更多可持續(xù)的食物來(lái)源。現(xiàn)在，由加州理工學(xué)院的研究人員領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新的計(jì)算技術(shù)，用于分析土壤樣品中存在的DNA，以便調(diào)查存在的微生物種類(lèi)。該技術(shù)已經(jīng)揭示了保護(hù)植物免受病原真菌侵害的細(xì)菌種類(lèi)的新見(jiàn)解。

這項(xiàng)工作是在Dianne Newman，Gordon M. Binder / Amgen生物和地球生物學(xué)教授以及分子生物學(xué)執(zhí)行官的實(shí)驗(yàn)室中完成的。Newman是Caltech Resnick Sustainability Institute的生態(tài)與生物圈工程計(jì)劃負(fù)責(zé)人。

紐曼說(shuō)：“盡管在過(guò)去十年中在了解人類(lèi)微生物組方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但我們對(duì)土壤微生物組的比較了解卻落在了后面。” “然而，土壤是至關(guān)重要的微生物庫(kù)，因?yàn)樗c糧食安全，養(yǎng)分和水分保持以及全球碳預(yù)算直接相關(guān)。”

在博士后學(xué)者丹尼爾·達(dá)爾(Daniel Dar)的領(lǐng)導(dǎo)下，這項(xiàng)新研究提出了一種計(jì)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(xì)菌的數(shù)量。土壤微生物組通常被稱(chēng)為“微生物暗物質(zhì)”，因?yàn)槠渲性S多物種無(wú)法在實(shí)驗(yàn)室中輕易培養(yǎng)。因此，獲取土壤樣本并嘗試從中生長(zhǎng)細(xì)菌不是確定存在哪種物種的可靠方法。Dar的計(jì)算方法與環(huán)境中的DNA測(cè)序技術(shù)相結(jié)合，使微生物學(xué)家能夠調(diào)查樣品中存在的細(xì)菌和真菌的復(fù)雜種群，并準(zhǔn)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(tuán)隊(duì)對(duì)使用這種方法測(cè)量產(chǎn)生抗生素和抗真菌分子(稱(chēng)為吩嗪類(lèi))的某些細(xì)菌的豐度感興趣。這些細(xì)菌占據(jù)根際(植物根部周?chē)寥乐械臓I(yíng)養(yǎng)豐富的棲息地)，而吩嗪充當(dāng)?shù)钟≡⑸锏姆谰€(xiàn)，以防止它們也侵入該空間。該植物還可以從產(chǎn)生吩嗪的細(xì)菌中受益，因?yàn)槠涓渴艿奖Ｗo(hù)，免受感染性有害真菌的侵害。

為了測(cè)試其計(jì)算算法的準(zhǔn)確性，Dar與美國(guó)農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究局的合作者Linda Thomashow和David Weller合作。Thomashow和Weller維護(hù)并仔細(xì)監(jiān)視位于華盛頓州商業(yè)麥田附近的實(shí)驗(yàn)性小麥田，并發(fā)現(xiàn)在生產(chǎn)健康植物的土壤中經(jīng)常存在產(chǎn)生吩嗪的物種，稱(chēng)為熒光假單胞菌。研究人員對(duì)這些小麥??田中的環(huán)境DNA進(jìn)行了測(cè)序，發(fā)現(xiàn)Dar的算法正確地量化了熒光假單胞菌的豐度，從而驗(yàn)證了該新計(jì)算方法在該領(lǐng)域的有效性。但是令人驚訝的是，該算法還揭示了來(lái)自鏈霉菌屬的一組大量不同的產(chǎn)生吩嗪的細(xì)菌。這表明吩嗪在田間的保護(hù)作用可以由多種物種介導(dǎo)。這些物種現(xiàn)在可以成為目標(biāo)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)的主題。

接下來(lái)，研究小組轉(zhuǎn)向從全球數(shù)百種不同土壤和植物環(huán)境中獲得的公開(kāi)存放的DNA序列數(shù)據(jù)集。這些環(huán)境包括天然和農(nóng)業(yè)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(guò)他們的算法對(duì)這些數(shù)據(jù)集進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在許多環(huán)境中，生產(chǎn)吩嗪的細(xì)菌非常豐富，尤其是富含農(nóng)作物相關(guān)微生物。該算法還揭示了另一個(gè)驚喜：在農(nóng)作物中，尤其是玉米中，有一種以前未鑒定的生產(chǎn)吩嗪的物種，即Dyella japonica。

該團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室中使用基因組學(xué)，遺傳學(xué)和其他實(shí)驗(yàn)技術(shù)對(duì)Dyella進(jìn)行了檢查，以定義其產(chǎn)生的吩嗪的類(lèi)型，產(chǎn)生該化合物的條件以及所涉及的基因。研究人員使用先進(jìn)的顯微鏡技術(shù)發(fā)現(xiàn)了Dyella與玉米之間的密切關(guān)系。微生物位于植物的根部而不是表面，這在生產(chǎn)吩嗪的生物中更為常見(jiàn)，并且沿著根毛的尖端分布著許多微生物營(yíng)養(yǎng)。

達(dá)爾說(shuō)：“了解構(gòu)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(huán)境，以提高作物的產(chǎn)量，” “這些發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化了吩嗪是作物健康的重要分子的理論。”

該論文的標(biāo)題是“吩嗪生物合成和生物降解的全球格局揭示了農(nóng)業(yè)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(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院，陸軍研究辦公室，羅斯柴爾德基金會(huì)，EMBO，海倫·海·惠特尼基金會(huì)以及加州理工學(xué)院的地質(zhì)與行星科學(xué)部提供。