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随着全球人口的增加，预计到2050年将达到近100亿，因此需要提高作物产量并为食品和可持续替代燃料生产足够的植物材料。为了帮助改善作物育种策略并克服诸如使植物对边缘土地更加耐受以及诸如干旱和低养分可用性等压力的挑战，研究人员正致力于理解和促进有益的植物 - 微生物关系。
2017年12月18日由Nature Genetics发布，由美国能源部(DOE)联合基因组研究所(JGI)，美国能源部科学用户设施办公室和北方大学霍华德休斯医学研究所的研究人员组成的团队位于教堂山(UNC)的卡罗莱纳州利用一系列细菌基因组来鉴定和表征候选基因，这些基因有助于细菌适应植物环境，特别是参与细菌根部定植的基因。
迄今为止，该领域的大多数研究都集中在植物微生物组的群落结构上，即“谁在那里”，而不是功能，即“他们在做什么，他们是如何以及何时做的”。先前已经考虑功能的研究主要研究了单一的宿主 - 微生物相互作用，例如拟南芥植物和病原体之间的相互作用。
“如果我们想要设计合适的微生物组以支持植物生长，我们需要了解微生物组的真正功能，而不仅仅是序列标记基因，”该研究的共同第一作者，JGI的研究科学家Asaf Levy说。“在这里，我们使用大量的基因组和计算工作来解决基本和重要的问题：'植物微生物群如何与植物相互作用?'”
微生物和植物之间的大多数相互作用发生在根和土壤之间的界面处。来自北卡罗莱纳大学，橡树岭国家实验室和马克斯普朗克研究所的研究人员从十字花科(191)，杨树(135)和玉米(51)的根系环境中分离出新的细菌。然后对这些377种细菌分离物的基因组以及来自拟南芥根的另外107种单细菌细胞进行测序，组装并在JGI注释。
然后，作者将新的基因组与代表植物相关细菌的主要群体的数千种公众可用的基因组相结合，并包括来自多种植物和非植物环境的细菌，例如人类肠道，以进行比较。得到的3837个基因组数据库，其中1160个来自植物，用于比较基因组学分析。
研究人员随后确定了富含植物相关和根相关生物基因组的基因。
“了解微生物用于定植植物的基因和功能是非常重要的，因为只有这样我们才有机会合理地设计有用的'植物益生菌'，以帮助我们用更少的化学投入，如肥料和更多的化学投入来种植更多的粮食和能源作物。杀虫剂或杀菌剂，“霍华德休斯医学研究所研究员和北卡罗来纳大学教堂山分校生物学教授John N. Couch的资深作者Jeff Dangl说。
从该研究中获得的关键见解是植物和土壤相关的基因组往往比来自同一进化枝的对照基因组更大。发现这部分是由于糖代谢和转运相关基因的富集，可能是对自然界“糖果工厂”产生的光合作用植物碳的适应，Asaf Levy说。植物通过光合作用固定的高达20%的碳通过根作为糖吸收，以吸引微生物。
还鉴定了许多似乎模拟植物功能的基因 - 通过编码“植物类似PA和RA结构域”或PREPARADO。“众所周知，植物病原体使用的蛋白质可以模拟免疫功能所需的植物结构域，”Dangl说。“想象一下，病原体会直接向植物细胞注入一种模仿特定免疫系统机器的蛋白质。这就像将一个部分有缺陷的齿轮放入轮子中 - 轮子不能再转动了。我们认为植物相关蛋白质我们发现的域名可能以同样的方式运作。“
快速发展的基因通常是共享环境的生物之间分子军备竞赛的标志。这些基因通常用于攻击或防御另一种生物。在该研究中鉴定了两种与相关植物相关细菌的不同“生活方式”相关的新的快速进化的蛋白质家族。其中一种在共生细菌中被发现，被称为“Jekyll”;另一种，在致病菌中发现，被命名为“海德”。与来自弗吉尼亚理工大学和ETH(瑞士)的合作者一起，JGI科学家发现后者非常有效地杀死竞争细菌，可能有助于这些“海德斯”接管叶子利基。
新的基因组和植物相关基因的完整目录可通过专门的门户网站获得研究社区：细菌适应植物的基因组特征。
“该数据库是研究植物 - 微生物相互作用的研究界的宝贵资源，因为它是一种无偏见的方法，可以识别与植物相互作用的潜在有趣基因 - 包括许多全新的基因。我们目前正在实验研究许多基因的功能。这些基因可以更好地了解植物微生物组。“利维说。
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