在植物的生长过程中，根系就如同一个神秘的 “小宇宙”，它周围的土壤里生活着各种各样的微生物，这些微生物及其基因组共同构成了根微生物组。根微生物组对农作物的生长和健康起着至关重要的作用，就像一群默默守护植物的 “小卫士”，影响着农作物的方方面面。
然而，目前在这一研究领域却面临着诸多挑战。一方面，用于作物根微生物组研究的细菌基因组资源十分匮乏。现有的资源不仅规模较小，而且来源分散、方法各异，还大多集中在少数传统农业物种上，这使得深入研究作物根微生物组变得困难重重。另一方面，研究作物根微生物组时还面临着技术难题，比如从作物根样本中获取微生物基因组信息的成本很高，因为样本中含有大量宿主植物的 DNA，这大大增加了测序的难度和成本。同时，根病毒组的研究也相对滞后，病毒在植物根微生物组中的分布和作用还不清楚，噬菌体与细菌之间的相互作用也有待进一步探索。
为了攻克这些难题，中国科学院遗传与发育生物学研究所、北京大学生命科学学院等多单位的研究人员联合开展了一项重要研究。他们的研究成果发表在《Cell》杂志上，为我们打开了了解作物根系微生物组的新窗口。
研究人员主要运用了两种关键技术方法：一是高通量细菌培养技术，二是鸟枪法宏基因组测序技术。通过这两种技术，他们构建了作物根细菌基因组集合（CRBC）和作物根病毒基因组集合（CRVC），这两个集合就像是两个 “宝库”，为后续的研究提供了丰富的资源。
在研究结果方面，CRBC 成果显著。它包含了 6699 个高质量的细菌基因组，其中 68.9% 来自培养的菌株。这些基因组的分类多样性非常广泛，涵盖了 27 个门、49 个纲和 113 个目。通过与公共数据库对比，研究人员发现 CRBC 极大地扩展了作物根细菌的多样性，其中有 1817 个未定义的细菌物种，使作物根细菌的多样性增加了 290.6%。而且，CRBC 在覆盖根宏基因组数据方面表现出色，其平均覆盖率达到 50.2%，远高于其他公共数据库，这为作物根宏基因组分析提供了有力支持。同时，CRBC 中的细菌基因组还蕴含着丰富的功能，许多基因与植物生长促进（PGP）功能相关，涉及营养利用、植物生长激素生物合成以及抵抗生物和非生物胁迫等方面。例如，超过 43.8% 的基因组编码至少两类 PGP 功能，18.7% 的基因组编码所有三类功能。此外，研究人员还在 CRBC 中发现了大量未定义的生物合成基因簇（BGCs），这些 BGCs 可能与作物生长和健康有关，为农业应用提供了新的潜在途径。
研究人员还对多种作物和土壤背景下的根微生物组进行了研究。他们分析了 332 个深度测序的根宏基因组，发现虽然根微生物组的分类组成受土壤背景和宿主物种的影响很大，但功能组成在不同数据集之间却较为相似。他们还确定了 11 种在所有四种作物的根微生物组中保守富集的微生物功能，这些功能与 ATP 结合盒（ABC）转运蛋白、双组分系统、生物膜形成、细菌趋化性和鞭毛组装等有关，这为理解根微生物组的功能提供了重要线索。
CRVC 的构建也取得了重要成果。研究人员鉴定出 9736 个非冗余的病毒基因组，其中近一半为高质量基因组。通过与公共数据库比对，发现 CRVC 中有 1572 个以前未报道的属级病毒簇，这极大地丰富了我们对作物根病毒多样性的认识。此外，对病毒遗传多样性的分析表明，分布越广泛的病毒，其遗传多样性越高，这有助于我们理解病毒在不同环境中的适应性和进化。
在噬菌体 - 细菌相互作用的研究中，研究人员发现根微生物组中噬菌体的相对丰度显著高于相应的土壤，而且 94.0% 的根细菌基因组拥有至少一种细菌抗病毒防御系统。进一步研究发现，共有 5885（60.2%）个作物根细菌基因组与噬菌体存在联系，27.0% 的丰富且普遍存在的根细菌与噬菌体有联系，这些联系在特定细菌家族中更为常见，这揭示了根微生物组中噬菌体与细菌之间复杂的相互作用。
总的来说，这项研究意义重大。CRBC 和 CRVC 基因组资源为作物根微生物组研究提供了宝贵的资源，有助于推动该领域向机制和基因组水平的深入理解发展。大量的菌株及其基因组信息将激发对作物根微生物组功能和机制的研究，最终为应用农业科学带来益处，支持可持续农业的发展。虽然研究还存在一些局限性，如对低丰度微生物基因组的覆盖不足等，但这也为未来的研究指明了方向，相信在科研人员的不断努力下，我们对作物根系微生物组的认识会更加深入，为农业发展带来更多的突破。
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