多BRC研究表明叶子上的生命可能是可持续未来的关键

“你有没有想过叶子上的生命?”

五大湖生物能源研究中心(GLBRC) 研究员 Ashley Shade 问了一个简单的问题，但这是一个非常值得研究的问题。微生物所在的植物地上部分或叶际代表了植物最大的环境表面积。该地区的大部分地区都是耕种农业，了解植物与生活在其表面的微生物之间的相互作用可能有助于我们开发可以提高作物生产力和恢复力的农业管理实践。在他们新发表的研究中，GLBRC 的能源部生物能源研究中心合作者和高级生物能源和生物产品创新中心 (CABBI) 深入研究了叶子上生命的复杂性。

柳枝稷和芒草等多年生植物是生物燃料可持续发展的重要目标。除了产生大量可转化为生物燃料和生物产品的生物质外，多年生作物还提供广泛的生态系统服务，支持减缓气候变化的努力，例如封存温室气体和推动土壤中的养分循环。

与所有植物一样，多年生植物是多种微生物的家园，其中许多微生物都有益于宿主。例如，一些与植物相关的微生物可以提高植物的生产力，并在一定程度上抵御高温和干旱等环境压力。正因为如此，植物微生物组的管理是一种被提议用于促进作物生长和恢复力的工具，这在面对全球气候变化时尤为重要。除了选择性育种和基于数据的田间实践，微生物组管理有望在生物燃料原料的可持续生产中发挥重要作用。

植物的不同部分是不同微生物的家园。近年来，许多研究人员研究了发生在根际(根部周围的地下区域)的植物-微生物相互作用，这在植物吸收水分和养分的能力中起着关键作用。然而，包括叶子表面在内的地上植物圈也是一些非常重要的微生物的家园。即，已知植物圈微生物在碳循环和保护植物免受有害病原体侵害方面发挥作用。由于经常选择芒草和柳枝稷等多年生生物燃料原料来最大化叶表面积，因此了解叶际微生物群落和植物与微生物之间发生的相互作用有望在我们提高原料产量的能力中发挥非常重要的作用。

在新发表的研究“多年生作物叶际微生物组的季节性活动”中，研究人员使用尖端基因测序和生物信息学工具来确定哪些微生物在生物能源作物的叶子上生活和生长，以及这些微生物在整个过程中对植物的反应生长季节。

该研究发表在Nature Communications上，由 CABBI 可持续发展主题研究员 Adina Howe 领导，她是爱荷华州立大学农业和生物系统工程副教授;和 GLBRC 的 Shade，密歇根州立大学植物、土壤和微生物科学副教授。

“众所周知，芒草和柳枝稷具有共同的叶际微生物，”Howe 说。“在这项研究中，我们展示了他们何时积极成长并确定他们在做什么。这些微生物生活在叶子上，可以生物合成天然产物，这些天然产物可能对应对植物胁迫很重要。”

为了研究整个生长季节的叶片微生物群及其动态，研究人员从 5 月到 11 月每月收集柳枝稷和芒属植物的叶片微生物群。

从这些样本中，研究小组对微生物组的宏基因组和宏转录组进行了测序。宏基因组是可以在一个群体中的个体中发现的所有基因的集合(即，可能被表达的基因库)，而元转录组特指被群体中的个体积极表达的基因. 使用生物信息学工具，分析了微生物组的宏基因组和宏转录组，揭示了植物圈中存在的微生物类型及其在整个生长季节的基因表达。

这项研究表明，叶子微生物正在积极生长和表达产生各种代谢物的基因。例如，与萜烯生产相关的基因经常在植物圈中表达。萜烯很有趣，因为它们在植物和细菌中用作信号分子，可以帮助保护植物免受压力。萜烯还参与调节一氧化氮和甲烷的产生，它们是强大的温室气体。这项研究还发现，在整个生长季节，不同微生物群的丰度和代谢功能各不相同，这表明它们可能对不同的植物信号做出反应。

总的来说，这项研究指出了未来植物微生物管理可能针对的特定微生物功能，这些功能可用于促进作物生长和恢复力。

叶子上的生命虽然很小，但可能只是实现更可持续未来的关键之一。

这项研究的共同作者包括 GLBRC 团队成员和合作者 Nejc Stopnisek、Shane Dooley、Fan Yang 和 Keara Grady。