一种探索植物与微生物的相互作用的新方法

美国能源部的资助使研究人员能够更深入地了解植物与微生物的共生关系。

　　

人类从与植物的关系中获益匪浅。我们依靠它们获取食物、清洁空气、药品、燃料和各种其他产品。但是植物需要其他伙伴才能茁壮成长。许多植物通过与土壤微生物建立关系而长得更好。这些微生物帮助植物获取氮、磷和铁等营养物质。作为交换，植物为微生物提供糖和氨基酸。

美国能源部(DOE)阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的科学家最近获得了能源部科学、生物和环境研究办公室(BER)生物成像项目的资助，了解植物-微生物通信及其如何促进植物生长和健康。

“我们可以利用先进光子源的奇妙功能，以纳米分辨率观察微生物和植物之间的界面。

——Gyorgy Babnigg, Argonne的生物信息学家/分子生物学家

“我们想知道植物为微生物提供了什么，微生物又为植物提供了什么，”Argonne的生物信息学家/分子生物学家、该项目的首席研究员Gyorgy Babnigg说，“我们想要发现影响这种共生关系的信号。”

在更广泛的范围内，了解植物-微生物的相互作用可以为改善植物生长和增强人类所依赖的产品和资源提供见解。在一个向可再生能源发展的世界里，开发可以取代塑料和其他化石燃料衍生产品的植物产品变得更加重要。

在这个为期三年的项目中，Babnigg和他在阿贡、芝加哥大学和能源部联合基因组研究所的同事们计划开发一种新的成像技术，使用工程植物生长促进细菌作为生物传感器。改良后的微生物将能够指出根际(植物根系周围的区域)的细菌和植物本身共享了哪些资源。

Babnigg说:“细菌细胞有能力感知营养物质并做出反应，比如氨基酸、糖、小有机酸，以及植物根分泌的物质中的信号分子。”一旦细胞感知到营养物质，它们就会告诉细菌利用它们提供能量和生长。研究人员的目标是通过向微生物中添加在显微镜下会发光的蛋白质来追踪根系周围每种营养物质的含量。这种变色方法的新奇之处在于，科学家可以在不牺牲植物的情况下测量地下低丰度和高丰度的化合物。

“我们可以将这些生物传感器发送给其他科学家，然后他们可以将微生物放入他们正在研究的环境中，测量根际化合物的动态。”

在开发和测试这些生物传感器的同时，科学家们还将收集显微图像，以进一步了解植物和微生物之间的关系。Babnigg指出:“我们可以利用先进光子源的奇妙功能，以纳米分辨率观察微生物和植物之间的界面。”研究小组还计划使用这些图像来评估植物-微生物相互作用期间成分在根际中的分布，以及这种分布如何随着时间和不同环境而变化。

为了加速图像的发现，研究人员将部分自动化成像过程。他们计划与阿贡大学的自主发现团队和阿贡领导计算设施合作，开发人工智能(AI)引导的图像采集和分析工具。Babnigg说:“一个基于人工智能的自动化系统可能会提出我们科学家想不到的新颖想法或实验方法。”