Nature Protocols | 密歇根州立大学何胜阳/Tiedje团队建立拟南芥微生物组研究的标准化生长体系！

多细胞生物体与栖息在其身体各部位的各种微生物群落不断接触。这些微生物统称为微生物群，在宿主的健康和疾病中发挥着关键作用（Nature Microbiology | 微生物组创新，实现可持续发展的未来！）。植物微生物群对维持植物健康和促进作物产量至关重要，从而支持人类的生活和健康（Nature Reviews Microbiology | 植物-微生物互作：从群落组装到植物健康）。在阐明室外或温室条件下植物-微生物组的相互作用方面已经取得了很大进展（Nature | 年度重磅合集：植物微生物组！），但要解决这种条件下植物-微生物组相互作用的因果关系还存在局限性。特别是，土壤的生化成分、微生物成分以及地球化学和物理属性有很大的不同。同样，植物在不同地点的开放系统中接触到的空气，其微生物组成和负荷也有波动。这些变化并不适用于可普遍获得的基质，这种基质将使全球研究界能够轻松地复制实验。深入了解植物-微生物组的相互作用，特别是因果关系，对利用微生物组进行可持续农业至关重要（深度解读：如何操控植物微生物组改善农业？Nature Reviews Microbiology | 专家点评：作物微生物组与可持续农业；Nature Food | 墨尔本大学贺纪正团队综述土著作物微生物组对可持续农业的潜力！Trends in Biotechnology | 微生物组工程：可持续农业中的植物微生物合成生物学）。植物微生物组界的研究重点是开发标准化的方法，以阐明微生物组的组装规则、植物-微生物组的功能相互作用，并分离出实验变量，以完善对植物基因型-环境-微生物组-管理相互作用的理解（Microbiome | 德国慕尼黑亥姆霍兹中心重新定义微生物组：旧概念和新挑战！（附视频））。开发一套可以被研究界广泛采用的无菌植物生长系统，可以促进全球植物微生物组研究的进步。在以前的研究中，营养琼脂和煅烧土已被用于封闭的系统，以研究植物-微生物组的相互作用（表1）。然而，这些系统有局限性，因为它们不包含有机物或类似土壤的结构。因此，开发基于含有有机物的基质的植物无菌生长系统，如基于泥炭的盆栽混合物，可以更接近自然或农业上的相关状态。

表1 在无菌实验系统中使用的基质的优点和缺点

2021年4月28日，国际权威学术期刊Nature Protocols发表了美国密歇根州立大学何胜阳（PLOS PATHOGENS | 密歇根州立大学何胜阳团队系统解读植物界的微生物群落稳态！）和James M. Tiedje团队的最新相关研究成果，题为Peat-based gnotobiotic plant growth systems for Arabidopsis microbiome research的研究论文。德国马克斯·普朗克植物育种研究所（Display your talent！走进德国马克斯普朗克植物育种研究所！）Paul Schulze-Lefert教授（近5年37篇高水平文章！Paul Schulze-Lefert院士团队在先天免疫和植物菌群领域取得重大进展！）为论文的共同作者。

植物微生物组的复杂结构和功能是由许多变量驱动的，包括环境、微生物与微生物的相互作用和宿主因素。同样，常驻微生物群可以影响许多宿主的表型。无菌生长系统和受控环境使研究人员能够隔离这些变量，而标准化的方法使全球研究界能够统一方法、复制实验并进行广泛合作。本研究开发了两个易于建造的基于泥炭的无菌生长平台：FlowPot系统和GnotoPot系统。无菌泥炭适合微生物群落的定殖，并支持模式植物拟南芥在有或没有微生物的情况下生长。FlowPot系统通过一个灌溉口用水、营养物或微生物群的悬浮液冲洗基质，并且一个网状固定器允许倒置植物进行浸泡或真空渗透。灌溉口也有利于被动排水，防止根部缺氧。相比之下，GnotoPot系统采用的是在园艺行业广泛使用的压缩泥炭颗粒。GnotoPot的建造步骤较少，需要用户处理的情况也较少，从而减少了污染的风险。两种方案都需要4天的时间来完成，包括基质和种子的消毒，需要4-5小时的动手时间。本文提供了这两个系统的详细组装和接种程序。这两个系统都是模块化的，不需要无菌生长室，而且每个容器的成本低于2美元。

图1：FlowPot系统的示意图

图2：GnotoPot系统的示意图

图3：在带有无菌基质的FlowPots中生长的拟南芥

图4：在带有无菌基质的GnotoPots中生长的拟南芥

图5：植物中微生物群功能研究的应用

图6：微生物群落研究的应用

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