從加州大學Hopland研究和推廣中心的小巴克流域收集了微生物分離的根際土壤，其中Avenabarbata是占主導地位的植被。

美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室(BerkeleyLab)和加州大學伯克利分校(UCBerkeley)的研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著植物的發(fā)展，它們的根菌群也會形成，有利于那些消耗特定代謝產(chǎn)物的微生物。他們的研究可以幫助科學家找到改善土壤微生物群落的方法，以改善碳儲存和植物生產(chǎn)力。

“一個多世紀以來，人們都知道植物會影響其土壤微生物群落的組成，部分是通過將代謝產(chǎn)物釋放到其根部周圍的土壤中，”伯克利實驗室的博士后研究員KaterynaZhalnina說，他是這項研究的主要作者。“然而，直到現(xiàn)在，人們還不清楚，植物釋放的這種雞尾酒的內(nèi)容是否與土壤微生物的攝食偏好相匹配，從而使植物能夠指導其外部微生物群落的發(fā)展。”

這項研究發(fā)表在《自然微生物學》(NatureMicrobiology)雜志上。該研究是“動態(tài)根系分泌物化學和微生物基質(zhì)偏好驅動模式在根際微生物群落組裝”。相應的作者是伯克利實驗室的科學家TrentNorthen和EoinBrodie。

土壤中的微生物可以提高植物吸收養(yǎng)分和抵御干旱、疾病和害蟲的能力。它們介導土壤碳轉化，影響土壤中儲存的碳量，或釋放到大氣中作為二氧化碳。這些功能與農(nóng)業(yè)和氣候的相關性前所未有。

只有一克土壤含有數(shù)萬種微生物?？茖W家們早就知道，植物通過釋放化學物質(zhì)(代謝物)來影響其根部周圍土壤微生物群落的組成。伯克利實驗室的科學家、加州大學伯克利分校(UCBerkeley)的微生物學教授MaryFirestone之前的研究表明，植物在根系中一直在選擇或抑制同一類型的微生物，這表明植物和微生物群落的發(fā)展有某種形式的同步。

然而，很少有研究涉及植物釋放的特定代謝物與食用它們的微生物之間的關系。這項新研究匯集了土壤科學、微生物和植物基因組學專家和代謝組學專家，以探索這些潛在的代謝聯(lián)系。他們的研究仔細觀察了加利福尼亞和其他地中海生態(tài)系統(tǒng)中常見的一年生草(Avenabarbata)的根際。

伯克利實驗室的團隊認為這樣做的時機已經(jīng)成熟。隨著農(nóng)民種植足夠的健康作物以滿足日益增長的人口需求，以及新的土地管理戰(zhàn)略，改善土壤碳儲存以減少大氣二氧化碳和產(chǎn)生健康土壤，土壤微生物群落是比以往更深入的科學研究的課題。

研究人員著手確定在植物根部周圍持續(xù)開花的微生物與植物釋放的代謝產(chǎn)物之間的關系。他們的第一步就是從加州大學的Hopland研究和推廣中心收集土壤。布羅迪是伯克利實驗室氣候與生態(tài)系統(tǒng)科學部的副主任，他的小組利用他們所了解的這些土壤細菌的生活方式，開發(fā)出專門的微生物培養(yǎng)基來培養(yǎng)數(shù)百種不同的細菌。然后他們選擇了一個在土壤中生長或生長的子集。

這些微生物被送到聯(lián)合基因組研究所(JGI)，這是一個科學用戶設施的能源部辦公室，在那里他們的基因組被測序，以提供關于他們對根的反應為何不同的線索。這一分析表明，在根際環(huán)境中繁殖的微生物成功的關鍵是他們的飲食。

Northen是伯克利實驗室環(huán)境基因組學和系統(tǒng)生物學部門的資深科學家，他對微生物學的化學反應很感興趣，他的團隊已經(jīng)開發(fā)出了先進的質(zhì)譜技術，以解釋生物間的代謝相互作用。Zhalnina和Northen結合了他們的專業(yè)知識，確定了在Avena草根周圍更成功的微生物更喜歡吃什么。

利用JGI的水培裝置，他們將植物浸入水中不同的發(fā)育階段，刺激它們分泌代謝產(chǎn)物，然后用質(zhì)譜測定植物釋放的代謝產(chǎn)物。隨后，培養(yǎng)的土壤微生物被提供了根代謝物的混合物，研究人員使用質(zhì)譜測定了哪些微生物更喜歡哪些代謝物。

他們發(fā)現(xiàn)，在植物根部周圍生長茂盛的微生物更傾向于食用富含有機酸的食物，而不是社區(qū)中那些不那么成功的微生物。

“在生長周期的早期，這種植物會分泌大量的糖，‘糖果’，我們發(fā)現(xiàn)很多這樣的微生物，”Northen說。隨著植物的成熟，它會釋放出更多樣化的代謝產(chǎn)物，包括酚酸。我們發(fā)現(xiàn)，在根圈里變得更豐富的微生物是那些能夠使用這些芳香代謝物的微生物。

布羅迪將這些酚酸描述為植物在其發(fā)展過程中所釋放的非常特殊的化合物。酚酸通常與植物防御或植物微生物的傳播有關。這表明，當他們在根際范圍內(nèi)建立微生物群落時，植物可以分泌代謝產(chǎn)物，如酚酸，以幫助它們控制在其根部周圍生長的微生物種類。

布羅迪說:“我們已經(jīng)考慮了很長一段時間，植物正在建立最適合它們生長和發(fā)育的根圈。”“因為土壤中有這么多不同種類的微生物，如果植物釋放出任何化學物質(zhì)，就可能對它們的健康有害。”

“通過控制根部周圍生長的微生物種類，植物可以試圖保護自己免受不那么友好的病原體的侵襲，同時促進其他微生物的生長，從而促進營養(yǎng)供給。”

Zhalnina,Firestone,Northen，和Brodie相信他們的發(fā)現(xiàn)有很大的潛力去影響額外的科學和應用研究。Zhalnina指出，政府和工業(yè)界目前正在進行大量的研究和開發(fā)，以利用微生物的力量來提高植物的產(chǎn)量和土壤質(zhì)量，以滿足社會對可持續(xù)糧食供應日益增長的需求。

她說:“我們可以利用植物自身的化學物質(zhì)來幫助培養(yǎng)土壤中的有益微生物，這很令人興奮。”人口增長，特別是，已經(jīng)創(chuàng)造了一種需求，來尋找更可靠的方法來控制土壤微生物群落，以獲得有益的結果。