動物和植物與微生物形成復雜的共生群落，即所謂的微生物組。來自杜塞爾多夫海因里希海涅大學 (HHU) 和科隆馬克斯普朗克植物育種研究所 (MPIPZ) 的研究小組現(xiàn)已研究了植物根部周圍的三維微生物群結(jié)構(gòu)。他們在科學雜志《細胞宿主與微生物》中報告說，微生物群落組成沿著根部變化，并且受到根部空間代謝的影響。

人們被大量的有益生物所殖民。特別是在腸道中，所謂的腸道微生物群在人類健康中發(fā)揮著重要作用。這種現(xiàn)象也存在于植物中——它們也擁有“微生物群”：幫助提供土壤中的養(yǎng)分并保護植物免受病原體侵害的微生物。

人體腸道由不同的部分組成，每個部分都有特定的功能。大約十年前，分子研究表明，腸道的各個部分具有特定的干細胞和不同的代謝活動。腸道內(nèi)的各種生理和遺傳差異導致腸道各段的微生物定植存在差異。現(xiàn)在已知腸道微生物群具有高度復雜的三維生物地理學。

為了研究根部微生物群是否也表現(xiàn)出生物地理差異，HHU 和 MPIPZ 的三個研究小組對模式植物擬南芥(Arabidopsis thaliana)進行了聯(lián)合研究。研究人員采用了所謂的“多組學”方法，包括“轉(zhuǎn)錄組學”(對組織中所有 RNA 分子的分析)和“代謝組學”(對代謝網(wǎng)絡的研究)以及合成生物學和生物信息學等其他學科。

在最新一期的《細胞宿主與微生物》中，生物學家描述了兩種生長系統(tǒng)的開發(fā)，使他們能夠分析擬南芥根部微生物群：CD-Rhizotrons 和 ArtSoil 生長培養(yǎng)基。在這兩個系統(tǒng)的幫助下，他們證明了微生物群沿根縱軸的空間組織的存在，以及植物代謝物和代謝活動的相應差異積累。

該研究的主要作者兼通訊作者、HHU 分子生理學研究所的 Eliza Loo 博士評論道：“利用生物信息學和遺傳學方法，我們確定了三種所謂的 SWEET 糖轉(zhuǎn)運蛋白，它們有助于糖和其他代謝物沿根部的分布。這些轉(zhuǎn)運蛋白對于根部細菌的空間定殖是必需的。”

HHU 計算細胞生物學研究小組的 Tin Yau Pang 博士補充道：“我們能夠解碼微生物和宿主(在本例中為植物)之間復雜的代謝網(wǎng)絡。”

該研究的第二主要作者、來自 MPIPZ 的 Paloma Durán 博士說：“這些發(fā)現(xiàn)有助于優(yōu)化微生物群落，從而改善植物免受病原體侵害，從而改善植物健康。”

HHU 分子生理學研究所所長兼通訊作者 Wolf Frommer 教授評論道：“為了了解宿主微生物組的空間定殖，對植物和微生物物種的 3D 生物地理學進行更詳細的分析將有助于有必要。我們當前的出版物為此類工作奠定了基礎。現(xiàn)在研究應該擴大到大麥等農(nóng)作物。”