利用功能基因組資料庫開展植物微生物群系研究

編審：龔晶 北京市農林科學院農業信息與經濟研究所

世界人口不斷增長，2050年預計將達到近100億。提高作物產量，為食物和可持續替代燃料提供足夠植物原料的需求也與日俱增。為改進作物育種策略，提升植物對邊緣土地適應力，克服乾旱和養分缺乏等問題，研究人員著重研究並促進植物與微生物之間的有益關係。

《自然·遺傳學》（Nature Genetics）2017年12月18日發表的文章中，美國能源部（Department of Energy, DOE）聯合基因組研究所（Joint Genome Institute, JGI）和北卡羅來納大學教堂山分校（University of North Carolina at Chapel Hill, UNC）霍華德·休斯醫學研究所（Howard Hughes Medical Institute）的研究團隊探索了一整個資料庫的細菌基因組，以篩選並鑒定幫助細菌適應植物環境的候選基因，尤其是與細菌根部定殖有關的基因。

迄今為止，該領域的研究大多關注植物微生物群系的群落構成，即「群系裡有什麼」的問題，關於其功能的研究則較少，即「這些群系在做什麼、怎麼做、什麼時候做」的問題。之前關於植物微生物群系功能的研究也大多關於宿主與微生物間相互作用，例如擬南芥植物與某病原菌之間的關係。

該研究的共同第一作者、JGI研究員阿薩夫·利維（Asaf Levy）表示：「如果想運用合適的微生物群系來促進植物生長，就需要了解微生物群系的實際功能，而不是僅僅對標誌基因測序。在研究中，我們進行了大量的基因組工作，花費了巨大的計算量，來解答最基本、最重要的問題：植物微生物群系是如何與植物進行互動的？」

微生物與植物之間的大多數互動都發生在植物根部與土壤的接觸面。UNC、美國橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Lab）以及德國馬克斯·普朗克研究所（Max Planck Institute）的研究人員在十字花科（191）、楊樹（135）和玉米（51）的根部環境中分離出新菌種。研究人員在JGI對這377個分離菌以及擬南芥根部分離出的107個細菌細胞進行基因組測序、拼接和注釋。

研究人員將新獲得的基因組與數千公開的、主要植物伴生菌的基因組結合，再加上來自多種植物和人類腸道等非植物環境的細菌，然後進行比對。最終生成的資料庫包括3,837組基因組，其中有1,160組來自植物。該資料庫用於比較基因組學分析。

研究人員接著確定了在植物伴生菌和根部伴生菌中富集的基因。

「對於我們來說，了解微生物用哪些基因和功能以寄生在植物上是非常重要的。因為只有這樣，我們才有機會設計出有用的『植物益生菌』，幫助我們種植更多糧食作物與能源作物，同時減少化肥、殺蟲劑和殺菌劑等化學品的投入。」該研究的高級作者、霍華德·休斯醫學研究所研究員傑夫·鄧格爾（Jeff Dangl）和UNC生物學教授約翰·N·庫奇（John N. Couch）表示。

阿薩夫·利維認為，該研究的一項重要發現是，與植物和土壤相關的基因組往往比同一進化分支的對照基因組更大。研究人員發現，這一現象在一定程度上是因為糖類代謝和糖運輸相關基因的富集，可能是為了適應光合作用產生的植物碳，這些植物碳來自大自然的「糖果廠」。植物光合作用產生的碳當中，有多達20%通過根部以糖的形式滲出，以吸引微生物。

研究人員還通過對類似植物的磷脂酸和核糖酸功能域（Plant-Resembling PA and RA Domains, PREPARADO）進行編碼找出了模仿植物功能的大量基因。鄧格爾表示：「眾所周知，植物病原體會利用模擬植物免疫功能域的蛋白質。想像一下，植物病原體向植物細胞內直接注入一種可以模擬免疫系統一部分的蛋白質。這就好像為車輪裝上一個有缺陷的齒輪——車輪就會停止轉動。我們認為所發現的植物相關蛋白質結構域可能會用到同樣的原理。」

基因的快速進化往往是在共享同一環境的微生物在進行分子級別「軍備競賽」的標誌。這些基因往往用作針對其他微生物的防禦或進攻。該研究還發現了兩種快速進化的蛋白質家族，它們與植物伴生菌的不同「生活方式」有關。在共生菌內發現的一個蛋白質家族被稱為「傑基爾（Jekyll）」，而在致病菌種發現的另一個蛋白質家族被稱為「海德（Hyde）」（傑基爾與海德是英國著名作家史蒂文森的《化身博士》書中人物，兩者善惡截然不同的性格讓人印象深刻，後來「傑基爾與海德」一詞成為心理學「雙重人格」的代稱。——譯者注）。在美國弗吉尼亞理工學院（Virginia Tech）和瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH）同事的幫助下，JGI研究人員發現，「海德」可以非常有效地殺死競爭細菌，從而佔領植物葉子這一小環境。美國伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的創新與合作辦公室（Innovation and Partnerships Office, IPO）已經遞交了申請該蛋白質家族專利的文件，因為其有可能用作控制植物病原體的抑菌機制。

新基因組和植物相關基因的完整資料庫通過一個專門的門戶網站向研究領域開放：細菌適應植物的基因組特徵（Genomic Features of Bacterial Adaptation to Plants）。

利維表示：「該資料庫對於植物與微生物群系的互動研究是非常寶貴的資源，因為通過它人們能從客觀角度發現可能會參與植物互動的有趣基因，其中就包括許多新基因。我們正在用實驗研究其中許多基因的功能，以更好地了解植物微生物群系的功能。」（來源：美國能源部/聯合基因組研究所北京市農林科學院農業信息與經濟研究所報道）

本文系獨家編譯報道，轉載請註明出處。

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