人造生态系统可以带来更好的生物能源作物

更好地了解植物和微生物如何共同作用，在土壤中储存大量大气碳，将有助于设计更好的生物能源作物来应对气候变化。

然而，破译这种互利关系的机制具有挑战性，因为科学家很难在实验室中复制自然界的条件。为了应对这一挑战，劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的研究人员创建了人造生态系统或EcoFAB。

在《科学进展》上的一篇新论文中，他们展示了这些外卖盒大小的塑料生长室如何为世界各地的科学家提供标准化和可重复的平台，用于对模型植物和根部周围的微生物进行实验。

反过来，这可以加快开发改良生物能源作物的研究，这些作物能够在营养贫乏的土壤中生长，并从大气中吸收比目前更多的碳。

该论文的主要作者、伯克利分校的项目科学家VlastimilNovak表示：“EcoFAB背后的总体想法是，植物微生物组研究确实需要一个平台，使科学家能够更好地共享数据并在彼此的工作基础上继续发展。”实验室的环境基因组学和系统生物学(EGSB)部门。

“目前，大约有20个实验室正在使用我们的设备，但我们最终希望世界上任何人都能更广泛地使用它们。”

在这项研究中，Novak和TrentNorthen实验室的同事使用EcoFAB来测试不同形式的氮如何影响短柄草根部释放的有机物质的产生，短柄草是一种用作生物能源草模型的小型草种。

氮对于植物生长至关重要，诺瓦克在文献中注意到，氮与根系分泌物或植物根部产生的化合物类型的关系尚未在该草种中得到很好的探索。

他和他的合作者进行了实验，为短柄草提供不同的氮源(铵、硝酸盐或它们的组合)，并观察根系分泌物成分的变化。他们发现不同水平的氮会影响根部产生的化合物类型，并且当植物同时吸收铵和硝酸盐时生长得最好。

一个有趣的发现是，只有当铵和硝酸盐同时存在时，根部分泌物才会产生多巴胺。这表明特定的营养条件会影响某些代谢物的产生，进而影响植物的生长。

诺瓦克说：“这项研究的结果可以为养分管理实践提供信息，从根本上说，对于短柄草或类似的草来说，同时提供铵和硝酸盐对于最佳生长至关重要。”“它还为我们提供了根部微生物组中一些非常有趣的有机化合物的想法，以便将来进行研究。”

EcoFAB最终可以与机器人技术和人工智能学习的进步相结合，从而显着提高植物微生物组研究的发现速度。伯克利实验室的另一个新兴开发项目是EcoBOT，这是一种可以自主运行EcoFAB实验的自动化机器人系统。

“我们最终可以在计算机上设计实验，然后它会为你完成所有事情，”EGSB研究科学家PeteAndeer说，他与Northen合作设计了EcoFAB。“这将是最终目标：将这些EcoFAB设备与EcoBOT系统集成。”

一个很棒的学习工具

除了为专业科学家提供大量好处外，EcoFAB还在课堂上留下了印记，高中生和社区学院的学生将其用作加州的学习平台。

Northen实验室目前的EcoFAB外展活动涉及与各种教育机构的合作，包括当地高中和洛斯梅达诺斯学院。

自2020年以来，参加伯克利实验室主任学徒计划的高中生利用EcoFAB进行实验，研究不同氮条件下的植物生长。该研究项目仍然是该计划的一大亮点，许多学生因此对生物学和实验室研究产生了兴趣。

“EcoFAB使我们能够在课堂上以一种连接其他单元的方式讨论微生物，”奥克兰Skyline高中的生物老师ChristinaMcGhee-Esquivel说，她在伯克利实验室K-12系任教期间了解到了EcoFAB。团队将于2​​021年合作。“这对于学生来说非常重要，不仅可以看到根系如何生长，还可以了解微生物群落。”

与BiotechPartners等组织的进一步合作旨在向湾区的少数民族高中引入生物技术教育，包括使用EcoFAB。此外，洛斯梅达诺斯学院正在讨论将EcoFAB纳入更多本科教育，学生将有机会在2024年夏季再次设计和进行自己的植物实验。

洛杉矶分校生物学教授JillBouchard表示：“传统上，研究并不是社区大学经历的一部分，但我们的许多STEM学生希望转学并继续在实验室、实习等领域进行研究或工作。”梅达诺斯学院。“让他们获得研究经验对我们来说非常重要。这是一种很好的方式。”