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土壤根际（rhizosphere）指直接受到植物根分泌物和相关土壤微生物影响的狭窄土壤层，相关土壤微生物称为根微生物组（root microbiome）。 根际的土壤孔隙中含有根部释放的蛋白质和糖（称为根系分泌物），以及以脱落的植物细胞为食的细菌和其他微生物（称为根际沉积）。根际物种之间具有复杂的相互作用，包括互利、捕食/寄生和竞争，影响着植物生长和资源竞争。 理解土壤根际内的植物——微生物相互作用对农业和人类健康非常重要。根际生物可以促进土壤健康，从而支持和保护植物生长、农业生产、人类和动物健康。同一土壤中的各种植物通常具有不同的根际群落。常驻微生物与植物相互作用，可中和有毒化合物、固定氮，使植物抵抗疾病、高温、水涝、干旱，阻止病原体等有害生物，促进养分利用效率和生态系统服务。 近日，北卡罗来纳州立大学的科学家开发出一种方法，使用攻击细菌的病毒——噬菌体来精确编辑微生物群落内目标细菌物种中的单个基因。本研究确立了操纵土壤微生物群落以控制与植物相关的细菌的组成和功能的可行性。这些发现可以帮助设计生态系统，以促进植物的生长和健康，这对可持续农业至关重要。研究结果以“CRISPR-based engineering of phages for in situ bacterial base editing”发表在 PNAS 上。 “我们认为这是一种可以帮助研究微生物组的机制。我们可以改变一种特定的细菌，其余的微生物组仍然毫发无损。”北卡罗来纳州立大学食品、生物加工和营养学杰出教授、CRISPR 杂志主编 Rodolphe Barrangou 博士说，“这是一个概念证明，可应用于任何复杂的微生物群落，而健康的微生物群落有利于植物以及对食物和人类健康具有重要意义的环境。”
▲图 | 土壤中的部分根际过程（来源：维基百科） 首先，作者研究了噬菌体 T7 和 λ 是否可以被设计，以将 CRISPR 机制传递给大肠杆菌。诸如λ的噬菌体可以将其遗传物质整合到宿主细菌的遗传物质中，并与之协同复制。这样的病毒生命周期被称为“溶原”。研究人员指出，在目前的研究中，λ 溶原性可有效表达大肠杆菌中的外来碱基编辑器，以敲除特定基因。他们表明，两种工程噬菌体——T7 和 λ——都将有效载荷传递给了大肠杆菌宿主。这些有效载荷表达细菌荧光基因并操纵细菌对抗生素的耐药性。 研究人员使用工程噬菌体，分别在体外的试管和目标细菌体内，为存在于微生物群落中的细菌提供 CRISPR-Cas 编辑机制。为了开发包含一系列细菌的模型微生物群落，该团队使用了一个充满无菌白色石英砂的 EcoFAB 设备作为合成土壤。 有趣的是，该研究所开发的方法具有“讽刺”意味。因为从生物学上讲，细菌正是使用 CRISPR-Cas 系统来对抗攻击病毒。虽然生物技术已经通过改造 CRISPR-Cas 系统来编辑动物和人类的基因，但在目前的研究中，研究人员直接反转了天然的路径，用 CRISPR-Cas 机制加载病毒以改变细菌行为，特别是当目标细菌存在于微生物组中时。 “病毒非常擅长提供有效载荷。在这里，我们使用细菌病毒（噬菌体）将 CRISPR 传递给细菌，这具有讽刺意味，因为细菌通常使用 CRISPR 来杀死病毒。”Barrangou 说，“在这种情况下，病毒通过向大肠杆菌递送 DNA 来靶向大肠杆菌。病毒起到注射器的作用。” 工程噬菌体 λ 包含胞嘧啶碱基编辑器（CBE），研究人员使用λ噬菌体将 CBE 递送到大肠杆菌中，以灵敏和精确的方式改变了大肠杆菌 DNA 中的单个碱基。 该研究的主要作者 Matthew Nethery 博士说：“我们在这里使用碱基编辑器作为大肠杆菌基因的可编程开关。使用这样的系统，可以对基因组进行高精度的单碱基修改，而不会发生通常与 CRISPR-Cas 靶向相关的双链 DNA 断裂的现象。” 在 EcoFab 的生态系统中，研究人员使用三种不同类型的细菌研究噬菌体是否可以在系统中特异性定位大肠杆菌。结果显示，工程化的 λ 噬菌体有效地附着在了大肠杆菌上，并成功编辑了其基因组。 “在实验室里，实验条件被大幅度简化。”Barrangou 说，“因此最好对环境进行建模。这是我们下一步实验的方向。” 该研究中，噬菌体辅助递送与碱基编辑一起，为微生物群落成员的遗传访问提供了一种重要的原位编辑方法。与 Barrangou 团队合作的能源部 Lawrence Berkeley 国家实验室的科学家 Trent Northen 博士说：“这项技术将使我们的团队和其他更多人能够在高度控制的实验室环境中发现关键细菌与植物和其他微生物相互作用的遗传基础，如 EcoFABs。” Barrangou 的团队打算在未来的实验中用其他土壤相关细菌测试噬菌体 CRISPR 技术。 |
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