能源部劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)和加州大学伯克利分校的研究人员发现，随着植物的发育，他们制造根微生物组，有利于消耗特定代谢物的微生物。他们的研究可以帮助科学家确定增强土壤微生物组的方法，以提高碳储存和植物生产力。

“一个多世纪以来，人们都知道植物会影响土壤微生物组的构成，部分是通过代谢物释放到根部周围的土壤中，”伯克利实验室博士后研究员Kateryna Zhalnina说道，该研究的主要作者。“然而，到目前为止，尚未了解植物释放的这种鸡尾酒的含量是否与土壤微生物的摄食偏好相匹配，从而使植物能够指导其外部微生物群的发育。”

这项研究“动态根系分泌物化学和微生物基质偏好驱动根际微生物群落组装模式”刚刚发表在“自然微生物学”杂志上。相应的作者是伯克利实验室的科学家Trent Northen和Eoin Brodie。

土壤中的微生物改善了植物吸收养分和抵抗干旱，疾病和害虫的能力。它们介导土壤碳转化，影响土壤中储存的碳量或以二氧化碳的形式释放到大气中。正在以前所未有的方式观察这些功能与农业和气候的相关性。

只有一克土壤含有数万种微生物。科学家们早就知道，植物通过输出化学物质(代谢物)来影响其根周围区域的土壤微生物组成。加州大学伯克利分校的伯克利实验室教授科学家和微生物学教授Mary Firestone先前的研究表明植物在根区一直选择或抑制相同类型的微生物，这表明植物与微生物组发育之间存在某种形式的同步。 。

然而，很少有研究涉及植物释放的特定代谢物与消耗它们的微生物之间的关系。这项新研究汇集了土壤科学，微生物和植物基因组学以及代谢组学方面的专家，以探索这些潜在的代谢联系。他们的研究仔细研究了加利福尼亚州和其他地中海生态系统中常见的一年生草(Avena barbata)的根际。

伯克利实验室团队认为这样做的时机已经成熟。随着农民种植足够的健康作物以满足不断增长的人口需求的压力，以及改善土壤碳储存以减少大气中二氧化碳和生产健康土壤的新土地管理策略，土壤微生物组成为更深入的科学研究的主题比以往任何时候都。

研究人员着手确定在草根附近始终开花的微生物与植物释放的代谢物之间的关系。他们的第一步是从加利福尼亚州北部的Hopland研究和推广中心收集土壤。伯克利实验室气候与生态系统科学部副主任布罗迪和他的小组利用他们对这些土壤细菌生活方式的了解，开发出专门的微生物生长培养基，培育出数百种不同的细菌。然后他们选择了一个子集，随着根系在土壤中生长而繁荣或下降。

然后将这一系列微生物送到美国能源部科学用户设施办公室联合基因组研究所(JGI)，在那里对它们的基因组进行测序，以提供关于它们对根的反应不同的线索。这项分析表明，在根际繁殖的微生物成功的关键是他们的饮食。

伯克利实验室的环境基因组学和系统生物学部门的资深科学家Northen对微生物组的化学着迷，他的团队开发了先进的基于质谱的外代谢组学方法来阐明生物体之间的代谢相互作用。Zhalnina和Northen结合他们的专业知识来确定围绕阿韦纳草的根部更成功的微生物更喜欢吃什么。

使用JGI的水培装置，他们将植物浸入不同发育阶段的水中以刺激它们散发其代谢物，然后使用质谱法测量植物释放的代谢物。随后，培养的土壤微生物被喂食一种根代谢物混合物，研究人员使用质谱法确定哪种微生物优选哪种代谢物。

他们发现，在植物根部周围繁盛的微生物更喜欢富含有机酸的饮食，而不是社区中不太成功的微生物。

“在其生长周期的早期，该工厂正在推出大量糖类，'糖果'，我们发现许多微生物都喜欢，”Northen说。“随着植物的成熟，它释放出更多样化的代谢物混合物，包括酚酸。我们发现，在根际变得更丰富的微生物是可以使用这些芳香代谢物的微生物。”

Brodie将这些酚酸描述为植物在整个发育过程中释放的非常特殊的化合物。酚酸通常与植物防御或植物 - 微生物通信有关。这向Brodie表明，当他们在根际建立微生物群落时，植物可能会渗出像酚酸这样的代谢物，帮助他们控制在根部周围繁殖的微生物类型。

“我们长期以来一直认为植物正在建立最适合其生长和发育的根际，”Brodie说。“因为土壤中有这么多不同类型的微生物，如果植物只释放任何化学物质，它可能对它们的健康有害。

“通过控制在根部周围茁壮成长的微生物类型，植物可能会试图保护自己免受不太友好的病原体的侵害，同时促进刺激营养供应的其他微生物。”

Zhalnina，Firestone，Northen和Brodie相信他们的研究结果具有影响其他科学和应用研究的巨大潜力。Zhalnina指出，政府和工业目前正在进行大量的研究和开发，以利用提高植物产量和土壤质量的微生物的力量，以帮助满足社会对可持续食品供应日益增长的需求。

她说：“令人兴奋的是，我们可以利用植物自身的化学成分来帮助滋养土壤中的有益微生物。特别是，人口增长需要找到更可靠的方法来操纵土壤微生物群以获得有益的结果。”