研究人员在实验室培养大部分细菌 这些细菌在自然界中定植拟南芥植物

没有生物是岛屿 - 这一事实也适用于植物。健康植物包含复杂的微生物群落，其包含超过100种细菌物种，其可能在植物生长和健康中起重要作用。植物仅允许进入选定的细菌群落，称为植物微生物群，其主要来源于天然土壤中存在的大量微生物。来自瑞士科学家马克斯普朗克植物育种研究所的研究人员与瑞士科学家一起研究了模式植物拟南芥(拟南芥)叶片和根部中发现的一半以上的细菌。使用这种代表性的400多种细菌菌株进行纯培养，研究人员现在可以在实验室环境下重建拟南芥叶和根中的任何微生物群落。

相对年轻的植物微生物群研究领域的一个目标是产生与植物相关的微生物群落的清单。来自苏格兰苏黎世联邦理工学院马克斯普朗克植物育种研究所的Paul Schulze-Lefert和来自苏黎世联邦理工学院的Julia Vorholt及其同事现在迈出了实现这一目标的又一重要步骤。该团队培育了超过一半的细菌物种，这些细菌物种定植于自然界中生长的拟南芥植物的叶子和根部，并建立了一系列细菌菌株，叶子和根微生物群可以在无菌植物上重建。

实验室中产生的细菌群落与自然界中发现的细菌群落之间的惊人相似性为微生物群重建生物学打开了大门。这种定义的群落的使用使得能够在受控的环境条件下首次控制微生物群的扰动，而没有由于环境波动而在自然界中不可避免的变幻莫测。

这两位科学家在根系微生物群中培育了高达65%的细菌物种，在纯植物中种植了高达54%的叶片微生物群。然而，根据微生物生态学中所获得的智慧，不可能从天然环境样品中培养超过百分之一的细菌。“这完全不正确，”Schulze-Lefert说。“我们从细菌培养工作中了解到，我们的核心培养物集合中含有大多数存在于群落中的细菌物种，并且非常好地代表了天然叶片和根系微生物群的分类多样性。但它为微生物群重建实验提供了一个非常好的起点，“他补充道。

仔细观察细菌种类谱后，Schulze-Lefert和Vorholt观察到拟南芥叶和根中发现的微生物群落之间存在相当大的相似性。“几乎一半的物种都是相同的，”Schulze-Lefert解释道。“尽管根系微生物群的样本是在科隆收集的，而在苏黎世和蒂宾根的叶子微生物群的样本，如果你从更高的分类学角度考虑根和叶子微生物群，那就是从细菌家族的水平和课程存在，没有任何差异。因此微生物群在不同的自然环境中非常稳健，“他补充道。

研究小组通过DNA测序确定了432种细菌分离物的基因组，并进行了比较。“我们不仅为重建实验提供纯文化，我们还知道我们核心馆藏中每个社区成员的完整基因组，”Schulze-Lefert说。然后科学家们能够比较叶子和根微生物群的生化能力。为此，他们将来自基因组的基因与计算机结合成功能网络。叶和根群落中存在的细菌物种的概况的相似性对应于由相应基因组编码的功能能力的广泛重叠。今天这样的实验是可能的，因为许多基因的生物化学功能是已知的，

由于基因组编码功能的广泛重叠和物种概况的相似性，Vorholt和Schulze-Lefert得出结论，大多数叶和根相关细菌来自极其多样的土壤微生物群。这表明植物的叶子主要由土壤来源的细菌通过根作为停留点定殖。

然而，还可以观察由叶和根相关细菌的基因组编码的功能差异。这些涉及叶和根的生态位的明显差异。例如，这可以从以叶和根上存在的复合碳水化合物为食的细菌基因来解释; 根微生物群需要更少的这些，因为只有根部散发出大量的单糖。

科学家们还进行了微生物群重建实验。为此，他们使用封闭的人工环境，用无菌粘土作为土壤替代品，无有机碳的无菌液体营养培养基和无菌拟南芥种子。在透明的无菌室中进行培养，在不同的时间点接种确定的细菌群落。Schulze-Lefert说：“虽然这个系统是高度人工的，但是叶子和树根的群落与自然界植物群落非常相似。”

即使将定义的微生物群接种物添加到粘土中或单独添加到叶子上，叶或根微生物群也能够不仅在其相应的植物器官中居住，而且在相当大的程度上也能够在远处定位的叶和根器官中繁殖。如果将叶和根微生物群混合然后施用于粘土，则根微生物群对根中的叶衍生细菌群落进行竞争。叶片中的叶子微生物群存在相应的竞争优势。这表明细菌群落对叶和根生态位的特化，尽管叶和根微生物群之间存在广泛的功能重叠。

科学家们正处于这些微生物群重建实验的早期阶段。他们现在可以从确定的微生物群中遗漏单个细菌物种或整个家族，并在不同的环境胁迫条件下对其进行测试。他们期望这种受控的扰动实验将为细菌群落如何动员和提供植物生长的土壤养分以及微生物如何保护其宿主抵抗微生物病原体提供分子见解。