沒有哪種生物是孤立的——這一事實(shí)也適用于植物。健康的植物具有復(fù)雜的微生物群落，包括超過100種細(xì)菌，它們在植物的生長和健康中扮演重要角色。植物只允許使用一個(gè)選擇的細(xì)菌群落，命名為微生物組（microbiota），主要來源于自然土壤中存在的微生物的廣泛多樣性。

最近，德國馬克斯普朗克植物育種研究所的研究人員，與瑞士的科學(xué)家一起，將模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana）葉片和根中發(fā)現(xiàn)的細(xì)菌，培育出了超過一半。利用純培養(yǎng)中的這400多種細(xì)菌菌株的代表性集合，研究人員現(xiàn)在可以在實(shí)驗(yàn)室設(shè)置中，重建擬南芥根和葉中的任何微生物組。這一研究成果，標(biāo)志著使用定義微生物組的植物微生物生態(tài)學(xué)開啟了一個(gè)新時(shí)代。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在最近的《Nature》雜志。

植物微生物組這個(gè)相對(duì)年輕的研究領(lǐng)域，旨在產(chǎn)生植物相關(guān)微生物群落的詳細(xì)目錄。著名植物生物學(xué)家、馬克斯普朗克植物育種研究所的Paul Schulze-Lefert教授和蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)的Julia Vorholt及其他們的同事，現(xiàn)在已經(jīng)向這個(gè)目標(biāo)邁出了重要一步。該研究小組將在自然界生長的擬南芥根和葉中定植的細(xì)菌，培養(yǎng)出了超過一半，并建立了細(xì)菌菌株的一個(gè)集合，有了這些菌株，就可以在無菌植物上重建葉片和根系微生物組。

實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的細(xì)菌群落和自然界的細(xì)菌群落之間，具有驚人的相似性，這為微生物群重建生物學(xué)打開了大門。使用這種定義的微生物群，使我們首次能夠在控制的環(huán)境條件下控制微生物群的擾動(dòng)，而沒有自然界種因環(huán)境波動(dòng)而不可避免的變幻莫測。

這兩位科學(xué)家培養(yǎng)出了根系中發(fā)現(xiàn)的高達(dá)百分之65的細(xì)菌，和葉片微生物群中發(fā)現(xiàn)的高達(dá)百分之54的細(xì)菌。然而，根據(jù)微生物生態(tài)學(xué)中公認(rèn)的看法，不可能從自然環(huán)境樣品中培養(yǎng)超過百分之一的細(xì)菌。Schulze-Lefert說：“這是完全錯(cuò)誤的。我們從細(xì)菌培養(yǎng)研究中得知，我們的主要培養(yǎng)物，包含了微生物群中存在的大部分細(xì)菌，并為天然根、葉微生物組的分類多樣性，提供了一個(gè)很好的代表。這個(gè)集合可能并不完美，但它為微生物組重建實(shí)驗(yàn)提供了一個(gè)很好的出發(fā)點(diǎn)。”

根據(jù)對(duì)細(xì)菌種類進(jìn)行更仔細(xì)的檢查，Schulze-Lefert和Vorholt觀察到，擬南芥葉片和根系中發(fā)現(xiàn)的微生物群落之間，有相當(dāng)大的相似性。Schulze-Lefert解釋說：“幾乎一半的物種是相同的。”盡管根系微生物的樣品是在科隆收集，葉片微生物群的樣品是在蘇黎世和賓根收集，但是，如果你從一個(gè)更高的分類學(xué)角度來考慮根和葉微生物群，即從目前細(xì)菌科類的水平，則根本沒有任何差異。因此，在不同的自然環(huán)境，微生物組具有很強(qiáng)的穩(wěn)健性。”

研究小組通過DNA測序，確定了他們這個(gè)集合中的432個(gè)細(xì)菌分離株，并對(duì)其進(jìn)行了比較。Schulze-Lefert說：“我們不僅有純培養(yǎng)用于重建實(shí)驗(yàn)，而且我們也知道，我們這個(gè)集合中每一個(gè)群落成員的基因組。”科學(xué)家就能夠比較葉片和根系微生物群落的生化功能。為此，他們將來自基因組的基因，與一個(gè)計(jì)算機(jī)組合成為功能網(wǎng)絡(luò)。根、葉微生物群中細(xì)菌種類的相似性，相當(dāng)于相應(yīng)基因組編碼的功能能力的一個(gè)廣泛重疊。這樣的實(shí)驗(yàn)在今天是可能的，因?yàn)樵S多基因的生化功能是已知的。

由于基因組編碼的功能能力的廣泛重疊，和物種分布的相似性，Vorholt和Schulze-Lefert認(rèn)為，大多數(shù)的根、葉相關(guān)細(xì)菌，起源于非常不同的土壤微生物區(qū)。這表明，一種植物的葉子主要被來自土壤的細(xì)菌所統(tǒng)治，通過根系作為中途停留。

然而，也有可能觀察到由葉和根相關(guān)細(xì)菌的基因組所編碼的功能差異。這些與根、葉小生境的明顯差異有關(guān)。

科學(xué)家們還進(jìn)行了微生物組的重建實(shí)驗(yàn)。為此，他們使用一個(gè)封閉的人工環(huán)境，用無菌粘土作為土壤的替代品，和無菌的擬南芥種子。培養(yǎng)是在透明的無菌室中進(jìn)行的，在不同的時(shí)間點(diǎn)上被接種了定義的細(xì)菌群落。Schulze-Lefert說：“雖然系統(tǒng)是高度人工化的，但是根、葉部的微生物組，與生長在自然界的植物中的微生物組，都是非常相似的。”

即使定義的微生物組接種液被添加到粘土，葉片或根部的微生物組，不僅能夠居住在對(duì)應(yīng)的植物器官，而且在相當(dāng)大的程度上，也能居住在遠(yuǎn)處的葉片和根器官。如果葉片和根系微生物進(jìn)行混合，然后應(yīng)用于粘土，根系微生物群要優(yōu)于根部的葉來源細(xì)菌群落。葉片中的葉微生物組存在一個(gè)相應(yīng)的競爭優(yōu)勢。

科學(xué)家們表示，這些微生物的重建實(shí)驗(yàn)處于早期階段。他們現(xiàn)在可以將單個(gè)細(xì)菌物種或整個(gè)細(xì)菌家族從定義的微生物群中忽略掉，并在不同的環(huán)境壓力條件下檢測它們。他們認(rèn)為，這樣的控制擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，將對(duì)“細(xì)菌群落如何組織并為植物生長提供土壤養(yǎng)分，以及微生物組如何保護(hù)其宿主抵抗微生物致病體”，提供了一定的分子見解。