多尺度研究揭示了影响高粱干旱反应的微生物

2022年8月23日，密苏里州圣路易斯- - - - - -干旱是对农业系统的最大威胁之一，导致作物产量不可预测，农业收入下降，疾病暴发增加。自20世纪80年代以来，仅在美国，干旱就给国家造成了2490亿美元的损失。提高作物抗灾能力的一个潜在解决方案是在种子中接种细菌。植物“益生菌”可以提高植物的耐旱性。虽然科学家们已经发现了许多在实验室中表现出希望的微生物，但在农业实地研究中复制它们的功效被证明要困难得多，这主要是由于现实世界中复杂的环境变化。由丽贝卡·巴特博士Donald Danforth植物科学中心副成员，和她Bob体育在线官网的同事们解决了弥合与作物-微生物相互作用及其对耐旱性影响相关的实验室和实地研究之间差距的挑战。他们的工作有可能加速作物对干旱条件的适应，并将实验室的发现简化为农民在田间的工作。他们的开创性的研究,利用多尺度和多系统微生物比较鉴定影响高粱抗旱响应的有益和有害细菌而且通过回归空间分布的土壤特性作为主成分，提高了田间试验的信噪比，最近分别发表在ISME Journal和eLife上。

作者采用了系统级的方法来识别影响高粱干旱反应的微生物，这项工作跨越了实验室中的“无菌、受控环境”，到充满复杂土壤特性、不均匀地形和水分不均匀积累的田间试验。研究小组发现，在实验室中，至少有六种微生物导致了高粱幼苗的根系发育缺陷——阻碍了高粱幼苗的高度——也对高粱在田间的生长产生了负面影响。通讯作者Bart说:“最大的进步是，我们在受控环境和实地观察到了类似的模式。这一结果告诉我们，我们的实验室观察是真实的，与农业有关。”引人注目的是，该研究小组还发现了一种促进根系生长的新微生物，这是提高作物抗旱能力的关键特征。

这项历时5年的研究也面临着挑战。第一作者、丹佛斯中心高级数据科学家杰弗里·贝里写道:“环境变化使现实世界成为进行科学研究的嘈杂之地。”这组作者需要开发一种模型来解释田间实验中混杂的生物变量——土壤pH值和磷酸盐含量等因素，这些因素在田间场地中可能有很大的差异。通过结合来自内布拉斯加大学林肯分校、爱荷华州立大学、华盛顿州立大学、北卡罗来纳大学教堂山分校、科罗拉多州立大学和联合基因组研究所等多个机构合作者的巨大多元数据集，贝里能够使用复杂的计算模型来理解和克服该领域的变异。结果是一个史无前例的统计模型，该模型考虑了影响作物和微生物性状的土壤性质。作者现在可以比较实验室和实地的结果，而不用担心环境变化可能会如何改变他们的实地观察。“杰夫想出了如何连接一些非常复杂的拼图碎片，”巴特总结道。

除了处理复杂的统计数据和与全国各地的科学家合作之外，这些团队成功的部分原因是能够使用丹佛斯中心无与伦比的研究基础设施。例如，作者使用Bellwether基金会表型分析设施来可视化和量化干旱和微生物处理如何影响高粱的生长和发育，这是他们控制实验室实验的一部分。该团队开始在其他作物系统中复制他们的方法，如玉米，未来的研究计划将在丹佛斯中心的新地下对氮碳(SINC)中心的影响由巴特和丹佛斯中心的其他三位成员共同执导。建立SINC是为了更好地了解植物和微生物之间的共生关系以及它们减少农业中化学氮肥使用的潜力。SINC的跨学科方法为农业挑战创造真正的解决方案，是巴特和她的合作者继续多规模、多系统工作的理想设施。

这项工作是得到了美国能源部、国家科学基金会、霍华德·休斯医学研究所和爱荷华州立大学的资助。

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唐纳德·丹佛斯植物科学中心成立于1bob客户端下载地址9Bob体育在线官网98年，是一个非营利的研究机构，其使命是通过植物科学改善人类状况。研究、教育和推广旨在影响粮食安全和环境的关系，并将圣路易斯地区定位为世界植物科学中心。该中心的工作通过许多来源的竞争性赠款获得资助，包括国家科学基金会、国家卫生研究院、美国能源部、美国国际开发署以及比尔和梅琳达·盖茨基金会。在Twitter上关注我们@DanforthCenter．

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