佐治亚州的咸水沼泽位于陆地与海洋的交汇处，沿着该州整个100英里的海岸线延伸。这些丰富的生态系统主要由一种植物主导：草。

这种植物被称为绳草，是一种生态系统工程师，为野生动物提供栖息地，在水从内陆流向海洋时自然净化水，并将海岸线固定在一起，使其不会塌陷。绳草甚至可以保护人类社区免受潮汐的影响。

了解这些植物如何保持健康具有至关重要的生态重要性。例如，沼泽土壤中普遍存在的一种已知植物应激源是溶解的硫化合物、硫化物，它由细菌产生和消耗。尽管佐治亚州海岸线拥有丰富的生态研究传统，但了解这些生态系统中细菌与植物相互作用的微妙方式却一直难以捉摸。由于基因组技术的最新进展，佐治亚理工学院的生物学家已经开始揭示前所未见的生态过程。

汤姆和玛丽·巴顿杰出教授兼生物科学学院研究副主任乔尔·科斯特卡(JoelKostka)和博士后研究员何塞·路易斯·罗兰多(JoseLuisRolando)着手研究互花米草与其根部微生物群落之间的关系，识别细菌及其作用。

“就像人类拥有保持健康的肠道微生物一样，植物也依赖组织中的微生物来维持健康、免疫力、新陈代谢和营养吸收，”科斯特卡说。“虽然我们很早就知道沼泽中驱动养分和碳循环的反应，但关于微生物在生态系统功能中的作用的数据并不多。”

佐治亚理工学院博士后研究员JoseRolando(右)和研究生GabrielleKrueger在佐治亚州萨佩洛岛现场准备用于化学分析的样品。图片来源：佐治亚理工学院

在沼泽地外面

植物获取营养的主要方式是通过固氮，这是细菌将氮转化为植物可以利用的形式的过程。在沼泽中，这种作用主要归功于异养生物，即生长并从有机碳中获取能量的细菌。消耗植物毒素硫化物的细菌是化能自养生物，利用硫化物氧化产生的能量来促进二氧化碳的吸收，从而制造自己的有机碳来生长。

“通过之前的工作，我们知道互花米草的根部存在硫细菌，并且有两种类型：硫氧化细菌，以硫化物为能源;硫酸还原细菌，呼吸硫酸盐并产生硫化物，这是一种已知的毒素对于植物来说，”罗兰多说。“我们想更多地了解这些不同的硫细菌在氮循环中发挥的作用。”

科斯特卡和罗兰多前往佐治亚州萨佩洛岛，他们定期在盐沼中进行实地考察。研究人员和他们的学生手持铲子和水桶涉入沼泽地，收集了绳草以及附着在其根部的泥泞沉积物样本。回到现场实验室，研究小组聚集在一个装满溪水的盆周围，仔细清洗草，轻轻地分离植物根部。

接下来，他们使用了一种特殊技术，涉及自然界中存在的较重化学元素作为示踪剂来追踪微生物过程。他们还分析了植物不同区室中微生物的DNA和RNA。

乔尔·科斯特卡(JoelKostka)，汤姆和玛丽·巴顿杰出教授兼生物科学学院研究副主任。图片来源：佐治亚理工学院

使用一种被称为鸟枪宏基因组学的测序技术，他们能够从整个微生物群落中检索DNA，并从新发现的生物体中重建基因组。同样，微生物群落的非靶向RNA测序使他们能够评估哪些微生物物种和特定功能与植物根部密切相关。

利用这种技术组合，他们发现化能自养硫氧化细菌也参与固氮。这些细菌不仅通过根区解毒来帮助植物，而且在为植物提供氮方面也发挥了至关重要的作用。细菌在硫循环和固氮中的双重作用凸显了它们在沿海生态系统中的重要性及其对植物健康和生长的贡献。

“在硫化物积累水平较高的地区生长的植物往往较小且不太健康，”罗兰多说。“然而，我们发现大米草根部的微生物群落有助于解毒硫化物，增强植物的健康和恢复力。”

本地到全球的意义

绳草不仅是佐治亚州沼泽地的主要植物，而且是沼泽地的主要植物。它们还主宰着整个东南部的沼泽地貌，包括卡罗来纳州和墨西哥湾沿岸。此外，研究人员发现，同样的细菌与全球沿海生态系统中的绳草、红树林和海草根有关。

“热带和温带气候下的大部分海岸线都被沿海湿地覆盖，”罗兰多说。“这些地区可能存在类似的微生物共生关系，这意味着这些相互作用会影响全球范围内的生态系统功能。”

展望未来，研究人员计划进一步探索沼泽植物和微生物如何交换氮和碳的细节，利用最先进的显微镜技术与超高分辨率质谱相结合，以在单细胞中证实他们的发现。等级。

“科学追随技术，我们很高兴能够使用最新的基因组方法来观察存在哪些类型的细菌并且活跃，”科斯特卡说。“关于沿海生态系统中植物和微生物之间错综复杂的关系，还有很多东西需要了解，我们正在开始揭示保持沼泽健康的微生物复杂性的程度。”

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