让西红柿更健康更高产科学家打出菌群大招

原标题：让西红柿更健康、更高产？科学家打出菌群大招！

这是《肠道产业》第 143 篇文章

编者按

在 20 世纪下半叶，绿色革命增加了农业生产，以满足全球不断增长的人口。这是由于采用新的方法、技术和种植高产作物品种而得以实现的。毫无疑问，这场革命改变了农业，但是却以环境为代价，因为对水的需求增加，对农用化学品投入的需求增加。

50 年后，我们站在新的十字路口，面对日益恶化的环境和迅速增长的人口，究竟如何发展农业？如何做到可持续？或许，植物微生物能够给我们一些答案。

今天，我们来关注一些关于植物微生物组的进展，希望本文能够让更多人关注植物微生物组，同时也希望能给各位产业人士一些关于农业作物方向的启发。

植物微生物组：充满未知

科学家们现在热衷于探索人体微生物组的构成，绘制人体内部及表面的微生物图谱。不过除了人体，也有不少人开始关注植物的微生物组。

植物表面和内部充满了无数的微生物，这些微生物可能对植物的生长、抗病性、非生物胁迫耐受性和养分吸收产生重大影响。因此，深入了解植物微生物组进化、组成和功能的机制将对改善作物健康和产量具有重要意义。

植物的叶子孕育着一个多样的微生物群落，正如这盘在温室中的培养基所展示的那样。经过 2 天的培养，番茄叶子上的细菌长成了可见的菌落。(图片由 Britt Koskella 实验室提供)

但是关于植物微生物组，存在着大量的未知。

现如今，农业上大量使用杀虫剂、除草剂和化肥等，在这些因素的影响下，当代的农业领域是不是真的存在健康植物微生物组这一概念呢？对于健康植物来说，其微生物组又是什么样的呢？

或许你还会好奇：当幼苗第一次在田间 种植时，附近通常没有成体植物能够在一定程度上帮助它们获取叶和茎上的微生物。在没有亲本传播的情况下，这些植物是如何获得它们的微生物的，这些微生物群系对于植物的生长是理想的吗?

如果微生物不能很好地适应，例如，不能抵抗疾病，它们能得到改善吗？

这样一些问题正慢慢的变重要，因为种植者和产业人士都试图通过在种子周围放置合适的微生物、改造土壤微生物群落或向生长中的植物喷洒合适的微生物来提高作物产量和可持续性。

慢慢的变多的证据也表明，微生物群落确实可以影响植物的产量、耐旱能力甚至开花时间。为了达到增加作物产量和可持续性的目的，我们能否合理改变微生物群落？改变后的微生物群落能存活足够长的时间来帮助植物吗?

近期，加州大学伯克利分校整合生物学助理教授 Britt Koskella 和她的团队试图回答了上述问题，为我们提供了探索、培养健康植物菌落的方法。

研究生 Norma Morella 从加州大学戴维斯分校的一片番茄地里采集样本，收集将被喷洒在温室番茄植株上的微生物，然后进行传代，以选择一个核心的番茄微生物群落。（Britt Koskella 拍摄）

“核心”微生物群落

Koskella 的团队致力于研究植物的微生物生态学及其对植物健康的影响，就像生物学家研究人类微生物群落在健康中的作用一样。他们也和生物学家试图了解母婴之间的微生物传递以及微生物定植一样，希望了解农业作物亲本和子代之间的传递和植物微生物的定植。

最近，该团队发表在 PNAS 杂志上的研究中，利用连续培养的 实验方式鉴定并识别了商业化番茄的核心微生物群落，并为改变植物微生物群落提供了支持。

该研究的实验均在加州大学伯克利分校牛津分校的温室里进行，研究人员共选取了五种不同品种的番茄。首先，对第一代的植物喷洒微生物混合物（包含从生长于室内和室外西红柿中获取的多种微生物）。

然后，用上一代的微生物群落喷洒下一代植物，连续喷洒四代，并且对每一代的番茄微生物群落进行 16S rRNA 测序（一种可以识别不同细菌分类群的技术）。

通过上述方法即连续培育几代不同种类西红柿的微生物群落，使西红柿建立稳定的微生物群落。那么理论上来说，跟着时间的推移，植物会清除不适应的微生物，让适应良好的微生物继续茁壮成长。

测序的结果表明，到第 4 代时，原始微生物分类群仅剩下 25%。

“所以，我们喷洒的初始细菌中有 75%在实验过程中几乎灭绝了，”Koskella 说。“这本身就很有趣，因为这表明很多微生物并没有很好地适应，它们只是偶然在那里。或许是风把它们吹到那里，或许是雨水把它们溅到那里，但它们不能茁壮成长，它们可能无法适应那种特殊的环境。”

剩下的 25%，在所有独立的选择系和五个番茄品种中都非常相似，看起来非常像一个“核心”微生物群落：一个健康植物所必需的关键微生物。

进一步，研究人员将混合微生物（一半来自第 1 代部分适应的微生物组，一半来自更成熟的第 4 代微生物组）喷洒到西红柿上面时，植物继承了第 4 代的微生物。这表明这些微生物更加适应番茄的环境。

“我们的研究证明了植物叶片上的微生物具有独特性，并且具有使其在植物上定殖所需要的特征。此外，在植物叶片上鉴定的微生物有很大的可能是刚刚转移的微生物，或者是已经死亡的微生物。”文章的共同作者加州大学伯克利分校的植物微生物学教授 Steven Lindow 讲到。

Lindow 教授研究植物与植物致病菌之间的相互作用快 50 年了，他还补充道：“这个研究结果与我们之前的发现很接近，具有优势的植物微生物可以在许多植物上生长，并且可以阻止其他微生物的生长。这些优势微生物的预防作用是非常强大的，可以有效防止其他微生物定植。”

“也许你还想问，是这些被我们选择的微生物，还是那些没有被选择的微生物群落占据优势？”Koskella 说。“对我来说，这是整个实验中我最喜欢的部分，是最兴奋的瞬间:选择的微生物更占优势。这在某种程度上预示着你真的可以再一次进行选择一个适应良好且不易被破坏的微生物群落，至少在我们用于选择的条件下是这样的。”

参与实验的本科生张雪莉（Shirley Zhang）在伯克利大学牛津校区的一个温室里照料番茄植株。

植物微生物：农业的未来？

Koskella 的团队证明了这些“驯化”后的微生物群落能够有效地抵御落在植物上的随机微生物。换句话说，这些被选择的群落看起来好像是一个稳定、健康的植物微生物群落， 可能是一个健壮的番茄植株传给它的后代的微生物群落。

Koskella 说：“我们已知道，在理论上，你可以再一次进行选择那些具有特定功能的微生物，例如，选择这些可以增产、耐旱或抗病 的微生物。我们在这里展示的是新的品种。原则上，你可以创造一个微生物群落，它有你感兴趣的功能，但也不会被破坏，因为它十分适合特定宿主的特性。”

这些结果对种植者来说是个好消息，因为他们希望利用益生菌来控制植物的微生物组，从而使田地更加健康，需要更少的肥料，需要更少甚至不需要杀虫剂就能获得更高的产量。

该研究的负责人 Britt Koskella 表示：“这项工作的意义不单单是在于益生菌，还在于指导农业实践。当种植农田的时候，我们该思考怎么做，包括考虑众多影响因素，如作物的年龄结构、种植方式（如单作或轮作）以及土壤中或临近存在的生物，这些都会影响植物微生物组的获取和健康。我们应当控制植物的生长环境，使微生物群落的传播更加接近自然。”

Koskella 的团队目前正在进行进一步的实验，以确定所选择的微生物组是否真的能改善植物的健康、恢复力和生产力，以及益生菌是否能成功地整合到核心微生物组中，为农作物带来持久的好处。

（来源： CID Lines）

事实上，关于植物微生物群的研究和兴趣直到 80 年代才开始兴起。但是人们已经深刻意识到微生物具有改善植物生长、逆境适应力和健康的巨大潜力，而这些潜力至关重要，因为植物微生物的应用或许能够在不破坏环境的前提下解决全球粮食问题，有利于全球粮食安全。

相信随着生物学的持续不断的发展，技术的不断革新，人们会对微生物群落与植物间的关系有着越来越深入的了解，我们将会看到更多创新的方法来探索微生物群落并有效利用它们，开发转化为可以促进农业可持续发展的微生物产品和技术手段。

参考资料：

（ 滑动下方文字查看）

1.How do you cultivate a healthy plant microbiome?

https://news.berkeley.edu/2019/12/06/how-do-you-cultivate-a-healthy-plant-microbiome/

2.MorellaN M, Weng F C-H, Joubert P M, et al. Successive passaging of a plant-associatedmicrobiome reveals robust habitat and host genotype-dependent selection [J].Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019, 201908600.

3.CopelandC, Schulze-Lefert P. Leaf-derived bacterial communities adapt to the localenvironment [J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2019,201920431.

作者｜gemiu

审校｜617

编辑｜崔心伟

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