沒有哪種生物是孤立的——這一事實也適用于植物。健康的植物具有復雜的微生物群落，包括超過100種細菌，它們在植物的生長和健康中扮演重要角色。植物只允許使用一個選擇的細菌群落，命名為微生物組（microbiota），主要來源于自然土壤中存在的微生物的廣泛多樣性。

最近，德國馬克斯普朗克植物育種研究所的研究人員，與瑞士的科學家一起，將模式植物擬南芥（Arabidopsis thaliana）葉片和根中發現的細菌，培育出了超過一半。利用純培養中的這400多種細菌菌株的代表性集合，研究人員現在可以在實驗室設置中，重建擬南芥根和葉中的任何微生物組。這一研究成果，標志著使用定義微生物組的植物微生物生態學開啟了一個新時代。相關研究結果發表在最近的《Nature》雜志。

植物微生物組這個相對年輕的研究領域，旨在產生植物相關微生物群落的詳細目錄。著名植物生物學家、馬克斯普朗克植物育種研究所的Paul Schulze-Lefert教授和蘇黎世聯邦理工大學的Julia Vorholt及其他們的同事，現在已經向這個目標邁出了重要一步。該研究小組將在自然界生長的擬南芥根和葉中定植的細菌，培養出了超過一半，并建立了細菌菌株的一個集合，有了這些菌株，就可以在無菌植物上重建葉片和根系微生物組。

實驗室產生的細菌群落和自然界的細菌群落之間，具有驚人的相似性，這為微生物群重建生物學打開了大門。使用這種定義的微生物群，使我們首次能夠在控制的環境條件下控制微生物群的擾動，而沒有自然界種因環境波動而不可避免的變幻莫測。

這兩位科學家培養出了根系中發現的高達百分之65的細菌，和葉片微生物群中發現的高達百分之54的細菌。然而，根據微生物生態學中公認的看法，不可能從自然環境樣品中培養超過百分之一的細菌。Schulze-Lefert說：“這是完全錯誤的。我們從細菌培養研究中得知，我們的主要培養物，包含了微生物群中存在的大部分細菌，并為天然根、葉微生物組的分類多樣性，提供了一個很好的代表。這個集合可能并不完美，但它為微生物組重建實驗提供了一個很好的出發點。”

根據對細菌種類進行更仔細的檢查，Schulze-Lefert和Vorholt觀察到，擬南芥葉片和根系中發現的微生物群落之間，有相當大的相似性。Schulze-Lefert解釋說：“幾乎一半的物種是相同的。”盡管根系微生物的樣品是在科隆收集，葉片微生物群的樣品是在蘇黎世和賓根收集，但是，如果你從一個更高的分類學角度來考慮根和葉微生物群，即從目前細菌科類的水平，則根本沒有任何差異。因此，在不同的自然環境，微生物組具有很強的穩健性。”

研究小組通過DNA測序，確定了他們這個集合中的432個細菌分離株，并對其進行了比較。Schulze-Lefert說：“我們不僅有純培養用于重建實驗，而且我們也知道，我們這個集合中每一個群落成員的基因組。”科學家就能夠比較葉片和根系微生物群落的生化功能。為此，他們將來自基因組的基因，與一個計算機組合成為功能網絡。根、葉微生物群中細菌種類的相似性，相當于相應基因組編碼的功能能力的一個廣泛重疊。這樣的實驗在今天是可能的，因為許多基因的生化功能是已知的。

由于基因組編碼的功能能力的廣泛重疊，和物種分布的相似性，Vorholt和Schulze-Lefert認為，大多數的根、葉相關細菌，起源于非常不同的土壤微生物區。這表明，一種植物的葉子主要被來自土壤的細菌所統治，通過根系作為中途停留。

然而，也有可能觀察到由葉和根相關細菌的基因組所編碼的功能差異。這些與根、葉小生境的明顯差異有關。

科學家們還進行了微生物組的重建實驗。為此，他們使用一個封閉的人工環境，用無菌粘土作為土壤的替代品，和無菌的擬南芥種子。培養是在透明的無菌室中進行的，在不同的時間點上被接種了定義的細菌群落。Schulze-Lefert說：“雖然系統是高度人工化的，但是根、葉部的微生物組，與生長在自然界的植物中的微生物組，都是非常相似的。”

即使定義的微生物組接種液被添加到粘土，葉片或根部的微生物組，不僅能夠居住在對應的植物器官，而且在相當大的程度上，也能居住在遠處的葉片和根器官。如果葉片和根系微生物進行混合，然后應用于粘土，根系微生物群要優于根部的葉來源細菌群落。葉片中的葉微生物組存在一個相應的競爭優勢。

科學家們表示，這些微生物的重建實驗處于早期階段。他們現在可以將單個細菌物種或整個細菌家族從定義的微生物群中忽略掉，并在不同的環境壓力條件下檢測它們。他們認為，這樣的控制擾動實驗，將對“細菌群落如何組織并為植物生長提供土壤養分，以及微生物組如何保護其宿主抵抗微生物致病體”，提供了一定的分子見解。