土壤根際（rhizosphere）指直接受到植物根分泌物和相關(guān)土壤微生物影響的狹窄土壤層，相關(guān)土壤微生物稱為根微生物組（root microbiome）。

根際的土壤孔隙中含有根部釋放的蛋白質(zhì)和糖（稱為根系分泌物），以及以脫落的植物細(xì)胞為食的細(xì)菌和其他微生物（稱為根際沉積）。根際物種之間具有復(fù)雜的相互作用，包括互利、捕食/寄生和競(jìng)爭(zhēng)，影響著植物生長和資源競(jìng)爭(zhēng)。

理解土壤根際內(nèi)的植物——微生物相互作用對(duì)農(nóng)業(yè)和人類健康非常重要。根際生物可以促進(jìn)土壤健康，從而支持和保護(hù)植物生長、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人類和動(dòng)物健康。同一土壤中的各種植物通常具有不同的根際群落。常駐微生物與植物相互作用，可中和有毒化合物、固定氮，使植物抵抗疾病、高溫、水澇、干旱，阻止病原體等有害生物，促進(jìn)養(yǎng)分利用效率和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。

近日，北卡羅來納州立大學(xué)的科學(xué)家開發(fā)出一種方法，使用攻擊細(xì)菌的病毒——噬菌體來精確編輯微生物群落內(nèi)目標(biāo)細(xì)菌物種中的單個(gè)基因。本研究確立了操縱土壤微生物群落以控制與植物相關(guān)的細(xì)菌的組成和功能的可行性。這些發(fā)現(xiàn)可以幫助設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)，以促進(jìn)植物的生長和健康，這對(duì)可持續(xù)農(nóng)業(yè)至關(guān)重要。研究結(jié)果以“CRISPR-based engineering of phages for in situ bacterial base editing”發(fā)表在 PNAS 上。

“我們認(rèn)為這是一種可以幫助研究微生物組的機(jī)制。我們可以改變一種特定的細(xì)菌，其余的微生物組仍然毫發(fā)無損?！北笨_來納州立大學(xué)食品、生物加工和營養(yǎng)學(xué)杰出教授、CRISPR 雜志主編 Rodolphe Barrangou 博士說，“這是一個(gè)概念證明，可應(yīng)用于任何復(fù)雜的微生物群落，而健康的微生物群落有利于植物以及對(duì)食物和人類健康具有重要意義的環(huán)境。”

▲圖 | 土壤中的部分根際過程（來源：維基百科）

首先，作者研究了噬菌體 T7 和 λ 是否可以被設(shè)計(jì)，以將 CRISPR 機(jī)制傳遞給大腸桿菌。諸如λ的噬菌體可以將其遺傳物質(zhì)整合到宿主細(xì)菌的遺傳物質(zhì)中，并與之協(xié)同復(fù)制。這樣的病毒生命周期被稱為“溶原”。研究人員指出，在目前的研究中，λ 溶原性可有效表達(dá)大腸桿菌中的外來堿基編輯器，以敲除特定基因。他們表明，兩種工程噬菌體——T7 和 λ——都將有效載荷傳遞給了大腸桿菌宿主。這些有效載荷表達(dá)細(xì)菌熒光基因并操縱細(xì)菌對(duì)抗生素的耐藥性。

研究人員使用工程噬菌體，分別在體外的試管和目標(biāo)細(xì)菌體內(nèi)，為存在于微生物群落中的細(xì)菌提供 CRISPR-Cas 編輯機(jī)制。為了開發(fā)包含一系列細(xì)菌的模型微生物群落，該團(tuán)隊(duì)使用了一個(gè)充滿無菌白色石英砂的 EcoFAB 設(shè)備作為合成土壤。

有趣的是，該研究所開發(fā)的方法具有“諷刺”意味。因?yàn)閺纳飳W(xué)上講，細(xì)菌正是使用 CRISPR-Cas 系統(tǒng)來對(duì)抗攻擊病毒。雖然生物技術(shù)已經(jīng)通過改造 CRISPR-Cas 系統(tǒng)來編輯動(dòng)物和人類的基因，但在目前的研究中，研究人員直接反轉(zhuǎn)了天然的路徑，用 CRISPR-Cas 機(jī)制加載病毒以改變細(xì)菌行為，特別是當(dāng)目標(biāo)細(xì)菌存在于微生物組中時(shí)。

“病毒非常擅長提供有效載荷。在這里，我們使用細(xì)菌病毒（噬菌體）將 CRISPR 傳遞給細(xì)菌，這具有諷刺意味，因?yàn)榧?xì)菌通常使用 CRISPR 來殺死病毒?！?a style="margin: 0px; padding: 0px; color: rgb(87, 107, 149); border: 0px; outline: 0px; -webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0); cursor: pointer; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">Barrangou 說，“在這種情況下，病毒通過向大腸桿菌遞送 DNA 來靶向大腸桿菌。病毒起到注射器的作用。”

工程噬菌體 λ 包含胞嘧啶堿基編輯器（CBE），研究人員使用λ噬菌體將 CBE 遞送到大腸桿菌中，以靈敏和精確的方式改變了大腸桿菌 DNA 中的單個(gè)堿基。

該研究的主要作者 Matthew Nethery 博士說：“我們?cè)谶@里使用堿基編輯器作為大腸桿菌基因的可編程開關(guān)。使用這樣的系統(tǒng)，可以對(duì)基因組進(jìn)行高精度的單堿基修改，而不會(huì)發(fā)生通常與 CRISPR-Cas 靶向相關(guān)的雙鏈 DNA 斷裂的現(xiàn)象。”

在 EcoFab 的生態(tài)系統(tǒng)中，研究人員使用三種不同類型的細(xì)菌研究噬菌體是否可以在系統(tǒng)中特異性定位大腸桿菌。結(jié)果顯示，工程化的 λ 噬菌體有效地附著在了大腸桿菌上，并成功編輯了其基因組。

“在實(shí)驗(yàn)室里，實(shí)驗(yàn)條件被大幅度簡化?！?a style="margin: 0px; padding: 0px; color: rgb(87, 107, 149); border: 0px; outline: 0px; -webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0); cursor: pointer; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">Barrangou 說，“因此最好對(duì)環(huán)境進(jìn)行建模。這是我們下一步實(shí)驗(yàn)的方向?！?/span>

該研究中，噬菌體輔助遞送與堿基編輯一起，為微生物群落成員的遺傳訪問提供了一種重要的原位編輯方法。與 Barrangou 團(tuán)隊(duì)合作的能源部 Lawrence Berkeley 國家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家 Trent Northen 博士說：“這項(xiàng)技術(shù)將使我們的團(tuán)隊(duì)和其他更多人能夠在高度控制的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵細(xì)菌與植物和其他微生物相互作用的遺傳基礎(chǔ)，如 EcoFABs。”

Barrangou 的團(tuán)隊(duì)打算在未來的實(shí)驗(yàn)中用其他土壤相關(guān)細(xì)菌測(cè)試噬菌體 CRISPR 技術(shù)。