植物真的会养活它的朋友|发现

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研究人员发现，随着植物的发育，植物根系会“精心”塑造自己的微生物区系，让它们“吃到”根系特定分泌的代谢物，所以“植物真的会养活它的朋友”。该项研究使得“利用植物自身的化学物质帮助土壤繁殖和构建有益微生物区系”成为可能，从而提高产量和品种，满足日益增多的人口对食粮的需求。

编译/陈能场（广东省生态环境技术研究所研究员）

来源：美国能源部/劳伦斯伯克利国家实验室

根据加利福尼亚大学霍普兰研究与推广中心对Little Buck分水岭收集到的根际土壤进行微生物分离的，在Avena barbata是主要植被的地区收集用于微生物分离的根际土壤。照片：Heejung Cho

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室（伯克利实验室）和加州大学伯克利分校的研究人员发现，随着植物的发育，它们制造了自己的根微生物群，这个根微生物群有利于消耗特定代谢物。该项研究可以帮助科学家确定提高土壤微生物群的方法，从而提高碳储量和植物生产力。

该项研究的第一作者、伯克利实验室博士后研究员Kateryna Zhalnina说：“一个多世纪以来，众所周知，植物会影响土壤微生物群的组成，部分原因是通过释放代谢物进入土壤周围的土壤。然而，直到现在，人们还不能理解植物释放的这种鸡尾酒的分泌物是否与土壤微生物的摄食偏好相匹配，从而使植物能够指导其外部微生物群的发育。”

题为“动态根系分泌物化学和微生物基质偏好驱动根际微生物群落组装的模式”的这项研究成果刚刚在“自然微生物学”杂志上发表。通讯作者是伯克利实验室的科学家Trent Northen和Eoin Brodie。

土壤中的微生物提高了植物吸收养分和抵御干旱、疾病和害虫的能力。它们介导土壤的碳转化，影响储存在土壤中的碳或作为二氧化碳释放到大气中的碳量，这些功能与农业和气候的相关性正以前所未有的方式得到观察。

一克的土壤含有数以万计的微生物物种。科学家早就知道，植物通过分泌出化学物质（代谢物）影响其根部周围区域的土壤微生物组成。伯克利实验室指导科学家和加州大学伯克利分校的微生物学教授玛丽费尔斯通（Mary Firestone）先前的工作表明，植物在根区一直选择或抑制相同类型的微生物，表明植物与微生物群发育之间存在某种同步形式。

然而，关于植物释放的特定代谢物与消耗它们的微生物之间的关系的研究很少。这项新研究汇聚了土壤科学、微生物和植物基因组学以及代谢组学方面的专家来探索这些潜在的代谢关系，他们的研究仔细观察了加州和其他地中海生态系统常见的一年生草细茎野燕麦（Avena barbata）的根际环境。

伯克利实验室团队认为做这样的研究时机已经成熟。随着农民种植足够健康的农作物以满足急速成长的人口需求的压力，以及改善土壤碳储量以减少大气中二氧化碳和构建健康土壤的新土地管理策略，土壤微生物群系（microbiome）以往任何时候是更深入的科学研究的主题。

研究人员着手测定草本植物根系附近一直大量繁殖的微生物与植物释放的代谢物之间的关系。他们第一步是收集位于加州北部的加利福尼亚大学霍普兰研究与推广中心的土壤，伯克利实验室气候与生态系统科学部副主任Brodie及其团队利用他们所知道的这些土壤细菌的生活方式开发专门的微生物生长培养基，培养数百种不同的细菌种类。

随后，他们筛选随着根在土壤中生长而繁殖或衰退的菌群。然后将这些微生物送到美国能源部科学用户设施-联合基因组研究所（JGI），在那里对其基因组进行测序，以提供线索说明它们对根的反应为什么不一样。 这一分析表明，微生物能在根际大量繁殖的关键是他们的饮食。

伯克利实验室环境基因组学和系统生物学部门的高级科学家Northen对微生物组学的化学着迷，他的研究小组开发了先进的基于质谱的体外代谢方法来阐明生物体之间的代谢相互作用。 Zhalnina和Northen将他们的专业知识结合起来，鉴别更能围绕在Avena草的微生物喜欢吃什么。

使用JGI的水培设备，他们将处于不同发育阶段的植物浸泡在水中以刺激它们分泌出代谢物，然后使用质谱法测量植物释放的代谢物。随后，预先培养的土壤微生物被喂以根代谢物的混合物，研究人员使用质谱来确定哪些微生物优选哪些代谢物。

他们发现，在植物根部周围地区繁茂的微生物喜欢比繁殖差的微生物更喜欢富含有机酸的饮食。

“在其生长周期的早期，植物释放出大量的糖，我们发现许多微生物都喜欢'糖果'，”Northen说。“随着植物成熟，它释放出更多样化的代谢物混合物，包括酚酸，我们发现，在根际变得更大量繁殖的微生物是那些可以使用这些芳香族代谢物的微生物。”

Brodie将这些酚酸描述为植物在整个发育期间释放的非常特效的化合物，酚酸通常与植物防御或植物 - 微生物通讯有关。这对Brodie来说意味着由于微生物在根际内建立了群落，植物可以分泌出代谢物如酚酸，以帮助他们控制在根部繁茂的微生物类型。

Brodie说：“我们很久以来就认为植物建立最适合其生长和发育的根际环境。 “因为土壤中微生物种类及其繁多，如果植物仅仅释放任何化学物质（而没有特定的物质），则可能对其健康有害。

 “通过控制在根部繁殖的微生物种类，植物可以试图保护自己免受不太友好的病原体的侵害，同时促进能刺激营养供应的其他微生物。”

Zhalnina，Firestone，Northen和Brodie认为他们的发现有很大的潜力影响更多的科学和应用研究。 Zhalnina指出，政府和工业界目前正在进行大量的研究和开发，以利用能提高植物产量和土壤质量的微生物的力量来满足社会日益增长的对可持续粮食供应的需求。

她说：“令人振奋的是，我们有可能利用植物自身的化学物质帮助滋养土壤中的有益微生物，尤其是，人口的增长 要求我们生产更多的粮食，要求鉴别出更可靠的方法来操纵土壤微生物区系，以获得更好的的结果。”

 编译水平有限，有错误之处敬请指正

文献：

Kateryna Zhalnina, Katherine B. Louie, Zhao Hao, Nasim Mansoori, Ulisses Nunes da Rocha, Shengjing Shi, Heejung Cho, Ulas Karaoz, Dominique Loqué, Benjamin P. Bowen, Mary K. Firestone, Trent R. Northen, Eoin L. Brodie. Dynamic root exudate chemistry and microbial substrate preferences drive patterns in rhizosphere microbial community assembly. Nature Microbiology, 2018; DOI: 10.1038/s41564-018-0129-3

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