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生物炭使微生物,包括一些植物病原体安静

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在同类的第一个研究中,赖斯大学的科学家们已经使用合成生物学来研究一种被称为“生物炭”的流行的土壤改良剂如何干扰一些微生物用来沟通的化学信号。研究的化合物类别包括一些植物病原体用来协调它们的攻击的化合物。

生物炭是生产的木炭,通常来自废木材,肥料或树叶,用作土壤添加剂。研究发现,生物炭能够提高土壤的养分和持水性能,但近年来它的普及也归功于其通过在土壤中储存碳来减少温室气体的能力,在某些情况下持续了许多个世纪。

赖斯大学的研究生雪莉·陈晓英向水稻生物化学家Joff Silberg展示了她在同一道菜上进行两个实验的工具,一个生物炭有机会干扰微生物对话,另一个没有。

本月在“环境科学与技术”期刊上发表的这项新研究是第一个研究生物炭如何影响土壤微生物常与植物相互作用的化学信号的研究。

Rice研究合着者Joff Silberg,生物化学与细胞生物学和生物工程学副教授说:“盆栽可能看起来很平静,但实际上在这个盆里有很多的谈话。 “事实上,在土壤中发生的这么多不同的对话使我们很难确定生物炭究竟是如何影响它们中的一个。”

So Silberg及其同事使用了合成生物学的工具和一个精炼的实验装置Silberg最初是用他的儿子剩下的乐高积木(Lego bricks)草拟的 - 建立一个只有一个微生物谈话正在进行的情况,以及生物炭对这个谈话的影响可以被测量的情况。

该研究是赖斯跨学科生物炭研究小组的最新成果,该研究小组在2008年艾克飓风之后形成,当时休斯敦市呼吁就如何摆脱估计的560万立方码倒下的树木,和暴风雨留下的死绿。水稻生物炭集团获得了该市“回收艾克”竞赛的$ 10,000大奖,并利用这笔资金启动了一个广泛的研究项目,此后得到了美国国家科学基金会,能源部,赖斯学院倡议基金,赖斯壳牌可持续发展中心和赖斯生物科学和生物工程研究所。

细胞信号研究是由以前的一个小组的创始成员之一,地球科学副教授Carrie Masiello发展而来的。 Masiello和该组织的另一名成员Rice生物学家Jennifer Rudgers(现在在新墨西哥大学)正在研究添加生物炭和营养物质对土壤的综合影响。除了一个案例外,生物炭和营养物质似乎都相互促进。唯一例外的是,一种对植物通常有益的土壤真菌开始迅速生长,阻碍了植物的生长。西尔伯格说:“所有这些有机体,比我们理解的要大得多,都在互相交谈。 “微生物与微生物交谈。微生物与植物交谈。植物与微生物交谈。他们每个人都根据这些对话来决定自己的行为。当我们开始谈论这些结果的时候,我的第一个想法是,'你可能会干扰对话'。“

在前面的实验中,没有可行的方法来隔离可能被干扰的对话,但是Silberg认为通过这种方式来创建工程微生物来测试生物炭是否会干扰这种对话。

他的实验室开始与Rice的生物化学和细胞生物学助理教授Matt Bennett合作,利用水稻研究生陈烨创建的两种定制形式的大肠杆菌。一种菌株与土壤微生物常用的一种化学通讯方式“交谈”,另一种“倾听”。与在土壤中使用这种通讯方式的真菌不同,大肠杆菌可以在清澈的琼脂凝胶中生长 培养皿,这意味着研究人员可以更容易地在显微镜下观察它们。接下来,团队将荧光基因插入每个生物体,使他们发出不同的颜色 - 红色的说话和绿色的听力。

Silberg说:“我们需要一种方法,在同一道菜上进行两个实验,一个是生物炭有机会干扰谈话的地方,另一个是没有的地方。”

Silberg与儿子的乐高积木合作,建造了一对相互平行的长方形平台,相隔约一英寸。加入琼脂以填充盘子的所有部分,除了被砖块阻塞的区域。一旦琼脂凝胶已经凝固,矩形平台被移除以创建两个空的平行槽。其中一个装满了清澈的琼脂,另一个装满了含有生物炭的琼脂。 “扬声器”有机体被添加到盘子的中间,“听众”被放置在每个槽的对面。

研究生Shelly Hsiao-Ying Cheng精制Silberg的Lego设计和在Rice的Oshman工程设计厨房使用的工具为重复测试创造了一套坚固的平台。随后,该组织与生物化学和细胞生物学副教授丹·瓦格纳(Dan Wagner)进行了数十次显微镜检测,以了解不同剂型和用量的生物炭对细胞信号传导的影响。 Silberg说:“在每种情况下,我们都观察到生物炭对面的绿光明显减少,这意味着那边的大肠杆菌无法听到发送者的声音,”Silberg说。 “这支持了我们的假设,即生物炭可能干扰细胞信号传导,最可能的是通过与讲话者用来传播信息的脂肪酸分子结合。”

研究小组发现生物炭的温度较高在关闭对话方面效率高达10倍。研究人员表示,这一发现意义重大,因为它与马塞洛2012年的一项研究结果相吻合,发现用高温过程产生的生物炭更有效地保持水分和营养。

“生物炭可以在250至1000摄氏度的范围内生产,而且有越来越多的证据表明,温度会显着影响最终性能,”Masiello说。 “最终,我们想创建一个简单的指南,人们可以使用它来定制生物炭的特性。”

Silberg补充说:“一些微生物帮助植物和其他有害的。这意味着在土壤中同时进行良好的沟通和不良沟通。我们认为一些生物炭可能会淘汰一些对话而不是其他生物,所以我们想要测试这个想法,并且如果可能的话,想出一种方法来调整生物炭的微生物多样性的期望。“

研究合着者包括叶晨,晓东高,刘雪丽和Kyriacos Zygourakis,都是赖斯。

来源:莱斯大学

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