PHOTO COURTESY OF CONNOR FITZPATRICK

当我们听到生态系统这个词的时候,我们经常把它与我们自己的眼睛可以看到的东西联系起来——和森林里的植物有紧密联系的事物,或者一系列的水生生物。

克诺尔·菲茨帕特里克(Connor Fitzpatrick)是多伦多大学密西沙加分校(UTM)的在读博士,他研究的生态系统是微生物群落,这既是我们熟悉的,又与我们看到的生态系统相去甚远。微生物群落,即与在特定区域的微生物群落相关的所有遗传物质。

菲茨帕特里克最近带头进行的一项研究发现,两种分别作用于植物根系内部和根系表面的微生物具有显著差异。这两种微生物分别被称为根系内生菌(endosphere)和根表微生物(rhizosphere)。由于植物根部的细菌在维持植物健康方面与人类内脏中的细菌维持人体健康的方式类似,这一发现或影响对人类疾病的研究。

不断发展的微生物研究

菲茨帕特里克表示,早期对微生物和宿主相互关系的研究主要关注生活在人体中的微生物,如生活在人体内脏、皮肤、嘴和肺中的微生物。然而,最近生物学家已经开始对生活在不同的环境中的微生物进行定性分析,这些不同的环境包括:鲸鱼的喷气孔(译者注:喷气孔是指鲸目动物头上的洞,其用途是呼吸),深海食骨螺,以及不同动物群的内脏(实际上更多的是排泄物)。

菲茨帕特里克在一封给多伦多大学校报(The Varsity)的一封电子邮件中写道:一个非常有趣的图景开始浮现,其表明地球上的许多进化和生态动态可以归因于与微生物的相互作用

不幸的是,分析这幅图景在技术和概念上都存在障碍。

菲茨帕特里克写道,想象一下,走进罗伯特(Robarts)图书馆,把每一本书都撕碎(罗伯特图书馆馆藏图书逾四百万册),把所有小碎纸片杂乱无章的混在一起,然后重新拼凑出每一本书。

除了计算方面的障碍之外,在提取和鉴定植物根系中的细菌之前,收集微生物DNA样本和保持其完整性也是一个巨大的挑战。

研究结果

经过一年的优化实验设计以及大量获取和分析数据所需的分子和计算技巧的学习,菲茨帕特里克和他的团队成功地完成了实验并发表了他们的研究成果。

他们发现根系内生菌和根表微生物的组成存在巨大差异。根系内生菌对寄主更为敏感,因此植物种类的差异对根系内生菌的影响更大。

菲茨帕特里克写道:从很多方面来说,根都是植物与外部环境的重要接触途径。根系微生物群落可能在植物感知其外部环境,交换营养物质和病原体,以及使物质通过这个连接口中起着重要的作用。

菲茨帕特里克发现相比于其他的根系微生物组成的变化,放线菌(Actinobacteria,译者注:放线菌是一类呈菌丝状生长,主要以孢子繁殖,革兰染色为阳性的单细胞原核微生物,是细菌中的一种特殊类型)数量随着土壤中水分的减少而增加,这根据植物的物种不同而有差别。因此,他们得出结论:根系微生物群落受到植物物种与其对干旱的耐受性之间的相互作用的重要影响。

实际上,链霉菌属(Streptomyces)这种最大的的放线菌属(译者注:链霉菌属于放线菌而不属于霉菌),与宿主耐旱性相关,并且其在根系内部数量相对充足,这表明宿主特异性组成发生了变化(译者注:生物体对于宿主有特殊的选择性。例如某些昆虫只生活在特定的树种上而其它树上却无法生存。宿主特异性越高,生物多样性就越高)。

可能的应用

整体上说,研究植物耐旱性和根系微生物与全世界面临的挑战密切相关。例如,在农业实践中整合有益的根系微生物有助于缓解粮食供应危机。

菲茨帕特里克写道:植物面临着日益严重的压力,包括干旱,盐碱化,营养和病菌方面的压力。(未来)也许我们可以摆脱目前使用的短效而昂贵的方式(如农药和肥料),创造出一种即经济实惠又环保的干预措施。

对宿主和微生物群的研究除了在生态学上有影响以外,对人类微生物的研究在治疗某些疾病上也有潜在的应用。例如,细菌移植在治疗艰难梭菌(Clostridium difficile,译者注:属厌氧性梭菌属细菌,一般寄生在人的肠道内)感染中被广泛应用。

该项目的其他合作者正在研究囊肿性纤维化(cystic fibrosis,译者注:囊肿性纤维化是遗传疾病,目前仍未有治疗的方法)患者的肺微生物群。菲茨帕特里克在与另一个实验室合作,目前他们正在研究生态模式与微生物背后的因果关系,这是菲茨帕特里克的团队在之前的研究中没有覆盖到的内容。


翻译/Translate: 孙雪霏/Xuefei Sun

校对/Proof: 刘滢薇/Yingwei Liu

终校/Final Read: 王雪琪/Xueqi Wang