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eLife剖析!科学家揭示土壤微生物组的组成和特性!

来源:本站原创 2020-10-31 21:09

2020年10月31日 讯 /生物谷BIOON/ --日前,一篇发表在国际杂志eLife上题为“Global landscape of phenazine biosynthesis and biodegradation reveals species-specific colonization patterns in agricultural soils and crop microbiomes”的研究报告中,来自加州理工学院等机构的科学家们通过研究深入分析了土壤中微生物组的组成及特性。

相信有很多人都经历过室内植物的突然死亡,尽管有充足的水分和阳光,但土壤下面似乎会发生一些看不见的事件,其会破坏植物的健康,这就好像生活在人类肠道中的微生物群落一样会影响人类的健康,由细菌和真菌组成的土壤微生物组也会密切影响植物的健康。在人类不断变化的气候中,深入理解健康的土壤微生物组或许有望帮助开发更具适应性的作物,从而为人类提供更可持续性的食物来源,这项研究中,研究人员开发了一种新型的计算机分析技术来分析土壤样本中存在的DNA,以此来调查土壤中的微生物种类型,该技术还能为揭示保护植物免于致病性真菌侵袭的细菌种类提供新的思路。

研究者Newman说道,尽管在过去几十年里科学家们在人类微生物组方面取得了重要的进展,但我们对土壤微生物组的研究却远远滞后,鉴于土壤与食品安全、养分、水分保持以及全球碳预算之间存在密切关联,因此土壤是一个非常重要且值得深入研究的微生物储存库。这项研究中,研究人烟利用计算机算法分析了土壤和植物根部样本中的DNA,来定量携带特殊功能特性的细菌丰度,土壤微生物组通常被称为“微生物暗物质”因为很多微生物很难在实验室条件下被培养,因此,采集土壤样本并试图从其中分离到细菌似乎并不是一种能确定土壤中微生物组成的可靠方法,文章中,研究人员将计算机方法与环境DNA测序技术相结合,分析了样本中细菌和真菌的复杂组成,并准确定量了携带特殊基因(比如编码抗生素基因)的微生物成员的丰度。

图片来源:D. Dar

研究人员非常感兴趣利用这种方法来测定能产生抗生素和抗真菌分子(吩嗪)的特定细菌的种类,这些细菌占据了植物根部周围土壤营养丰富的栖息地—根系层,而吩嗪作为一种抵御病原微生物的一道防线能够防止病原体的入侵,由于植物根部得到了保护免于有害真菌的侵袭,植物也能从产吩嗪的细菌中获得益处。为了检测这种计算机算法的准确性,研究人员对实验性小麦进行了监测,结果发现,产生吩嗪的荧光假单胞菌通常存在于生长健康植物的土壤中,随后研究者对小麦生长土壤中的环境DNA进行测序,结果发现,这种新型算法能准确量化荧光假单胞菌的丰度,同时还能验证这种计算方法在田间土壤中的功效。

让研究人员惊讶的是,这种新算法还发现了另外一种产吩嗪细菌的丰度,即链霉菌属,这就表明,土壤中吩嗪的保护性效应或许能优多种物种所介导,这些物种将会成为后期更有针对性实验的对象。随后研究者转向分析DNA序列数据库,数据库中的数据均是通过从全球数百种土壤和植物的环境中所获取的,这些环境包括自然和农业土壤、诸如小麦等主食植物的根部微生物组等,研究者通过算法运行了这些数据,结果发现,产吩嗪的细菌在很多环境中都较为丰富,尤其是,其在作物相关的微生物组中都很丰富,此外该算法还发现了另一个惊喜,即一种此前未被描述过的产吩嗪的物种Dyella japonica在农作物中非常丰富,尤其是玉米中。

研究人员利用基因组、遗传学和其它实验技术分析了Dyella菌属来定义其所产生吩嗪的类型、产生该化合物的条件以及所涉及的基因;利用先进的显微镜技术,研究人员分析了Dyella菌属和玉米之间的亲密关系,这种微生物位于植物的根部而并非表面,研究者Dar说道,理解组成健康土壤微生物组的物种未来或有望帮助工程化改造作物的土壤环境从而改善作物的产量,相关研究发现也加强了吩嗪作为作物健康重要分子的重要理论。(生物谷Bioon.com)

参考资料:

【1】Daniel Dar, Linda S Thomashow, David M Weller, et al. Global landscape of phenazine biosynthesis and biodegradation reveals species-specific colonization patterns in agricultural soils and crop microbiomes eLife (2020). DOI: 10.7554/eLife.59726

【2】A census of the soil microbiome

by Lori Dajose, California Institute of Technology

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