研究人员证实了植物与土壤微生物之间的复杂联系

从加州大学Hopland研究和推广中心的小巴克流域收集了微生物分离的根际土壤，其中Avena barbata是占主导地位的植被。

美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)和加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的研究人员发现，随着植物的发展，它们的根菌群也会形成，有利于那些消耗特定代谢产物的微生物。他们的研究可以帮助科学家找到改善土壤微生物群落的方法，以改善碳储存和植物生产力。

“一个多世纪以来，人们都知道植物会影响其土壤微生物群落的组成，部分是通过将代谢产物释放到其根部周围的土壤中，”伯克利实验室的博士后研究员Kateryna Zhalnina说，他是这项研究的主要作者。“然而，直到现在，人们还不清楚，植物释放的这种鸡尾酒的内容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落的发展。”

这项研究发表在《自然微生物学》(Nature Microbiology)杂志上。该研究是“动态根系分泌物化学和微生物基质偏好驱动模式在根际微生物群落组装”。相应的作者是伯克利实验室的科学家Trent Northen和Eoin Brodie。

土壤中的微生物可以提高植物吸收养分和抵御干旱、疾病和害虫的能力。它们介导土壤碳转化，影响土壤中储存的碳量，或释放到大气中作为二氧化碳。这些功能与农业和气候的相关性前所未有。

只有一克土壤含有数万种微生物。科学家们早就知道，植物通过释放化学物质(代谢物)来影响其根部周围土壤微生物群落的组成。伯克利实验室的科学家、加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的微生物学教授Mary Firestone之前的研究表明，植物在根系中一直在选择或抑制同一类型的微生物，这表明植物和微生物群落的发展有某种形式的同步。

然而，很少有研究涉及植物释放的特定代谢物与食用它们的微生物之间的关系。这项新研究汇集了土壤科学、微生物和植物基因组学专家和代谢组学专家，以探索这些潜在的代谢联系。他们的研究仔细观察了加利福尼亚和其他地中海生态系统中常见的一年生草(Avena barbata)的根际。

伯克利实验室的团队认为这样做的时机已经成熟。随着农民种植足够的健康作物以满足日益增长的人口需求，以及新的土地管理战略，改善土壤碳储存以减少大气二氧化碳和产生健康土壤，土壤微生物群落是比以往更深入的科学研究的课题。

研究人员着手确定在植物根部周围持续开花的微生物与植物释放的代谢产物之间的关系。他们的第一步就是从加州大学的Hopland研究和推广中心收集土壤。布罗迪是伯克利实验室气候与生态系统科学部的副主任，他的小组利用他们所了解的这些土壤细菌的生活方式，开发出专门的微生物培养基来培养数百种不同的细菌。然后他们选择了一个在土壤中生长或生长的子集。

这些微生物被送到联合基因组研究所(JGI)，这是一个科学用户设施的能源部办公室，在那里他们的基因组被测序，以提供关于他们对根的反应为何不同的线索。这一分析表明，在根际环境中繁殖的微生物成功的关键是他们的饮食。

Northen是伯克利实验室环境基因组学和系统生物学部门的资深科学家，他对微生物学的化学反应很感兴趣，他的团队已经开发出了先进的质谱技术，以解释生物间的代谢相互作用。Zhalnina和Northen结合了他们的专业知识，确定了在Avena草根周围更成功的微生物更喜欢吃什么。

利用JGI的水培装置，他们将植物浸入水中不同的发育阶段，刺激它们分泌代谢产物，然后用质谱测定植物释放的代谢产物。随后，培养的土壤微生物被提供了根代谢物的混合物，研究人员使用质谱测定了哪些微生物更喜欢哪些代谢物。

他们发现，在植物根部周围生长茂盛的微生物更倾向于食用富含有机酸的食物，而不是社区中那些不那么成功的微生物。

“在生长周期的早期，这种植物会分泌大量的糖，‘糖果’，我们发现很多这样的微生物，”Northen说。随着植物的成熟，它会释放出更多样化的代谢产物，包括酚酸。我们发现，在根圈里变得更丰富的微生物是那些能够使用这些芳香代谢物的微生物。

布罗迪将这些酚酸描述为植物在其发展过程中所释放的非常特殊的化合物。酚酸通常与植物防御或植物微生物的传播有关。这表明，当他们在根际范围内建立微生物群落时，植物可以分泌代谢产物，如酚酸，以帮助它们控制在其根部周围生长的微生物种类。

布罗迪说:“我们已经考虑了很长一段时间，植物正在建立最适合它们生长和发育的根圈。”“因为土壤中有这么多不同种类的微生物，如果植物释放出任何化学物质，就可能对它们的健康有害。”

“通过控制根部周围生长的微生物种类，植物可以试图保护自己免受不那么友好的病原体的侵袭，同时促进其他微生物的生长，从而促进营养供给。”

Zhalnina, Firestone, Northen，和Brodie相信他们的发现有很大的潜力去影响额外的科学和应用研究。Zhalnina指出，政府和工业界目前正在进行大量的研究和开发，以利用微生物的力量来提高植物的产量和土壤质量，以满足社会对可持续粮食供应日益增长的需求。

她说:“我们可以利用植物自身的化学物质来帮助培养土壤中的有益微生物，这很令人兴奋。”人口增长，特别是，已经创造了一种需求，来寻找更可靠的方法来控制土壤微生物群落，以获得有益的结果。