利用人工智能研究植物微生物組——生活在植物內(nèi)部和周圍的微生物群落——可能有助于改善土壤健康、提高作物產(chǎn)量和恢復(fù)退化土地。但這里有一個問題：AI 需要從海量可靠數(shù)據(jù)中學習，而關(guān)于植物-微生物相互作用的這種一致信息一直難以獲得。

在《PLOS Biology》期刊的一篇新論文中，美國勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）生物科學領(lǐng)域的研究人員領(lǐng)導(dǎo)了一個國際科學家聯(lián)盟，研究名為EcoFABs 的小型塑料生長室是否能幫助解決這一問題。在此前關(guān)于無菌植物工作的基礎(chǔ)上，科學家們利用伯克利實驗室開發(fā)的設(shè)備，在三個大洲的實驗室中運行了相同的植物-微生物實驗，并獲得了匹配的結(jié)果。

這一突破表明，EcoFABs 可以消除微生物組研究中的最大障礙之一：在不同地方重現(xiàn)實驗的困難。

“我們都知道一句老話：‘垃圾進，垃圾出’，"論文第一作者、伯克利實驗室環(huán)境基因組學與系統(tǒng)生物學（EGSB）部門的研究科學家 Vlastimil Novak 說�！叭绻阆胍獙ξ⑸锖椭参镒龀鲇幸饬x的預(yù)測，尤其是使用未來的 AI 模型時，你需要干凈、一致的數(shù)據(jù)集。EcoFABs 正好提供了這一點�！�

論文合著者 John Vogel 補充說，這項工作建立在多年來對樣板草類植物投資的基礎(chǔ)上。Vogel 領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)合基因組研究所（JGI）的植物功能基因組學小組，JGI 是位于伯克利實驗室的能源部（DOE）科學辦公室國家用戶設(shè)施。

“這個項目利用JGI 為短柄草開發(fā)的資源，創(chuàng)建了一個我們可以控制微生物組、環(huán)境甚至植物遺傳學的系統(tǒng)，”Vogel 說�！斑@使得它成為一個可重復(fù)的綜合科學的有力平臺。”

全球測試

EGSB 研究科學家Peter Andeer 開發(fā)了 EcoFAB 設(shè)備——簡單的透明盒子，大約相當于外賣容器的大小——以便科學家能夠以受控的方式種植植物。對于這個項目，Novak 和他的同事向位于北卡羅來納大學教堂山分校的 Jeff Dangl、德國馬克斯·普朗克植物育種研究所的 Paul Schulze-Lefert、德國于利希研究中心的 Borjana Arsova 以及澳大利亞墨爾本大學的 Michelle Watt 領(lǐng)導(dǎo)的實驗室提供了 EcoFAB 套件和詳細協(xié)議。

每個套件都配有相同的種子、相同的 16 或 17 種微生物組合，以及分步說明。

“在農(nóng)業(yè)中，部署有益微生物并不是簡單的將它們添加到土壤中�！盌angl 說。“它們需要生存、在植物內(nèi)部定殖，并與現(xiàn)有的微生物群落協(xié)同工作。EcoFAB 環(huán)形試驗幫助我們理解如何設(shè)計能在多樣化環(huán)境中茁壯成長的微生物�！�

對這類研究的需求在 EGSB 部門高級科學家 Trent Northen 組織的幾個研討會中得到了強調(diào)，以解決一個基本問題：我們?nèi)绾我詷藴驶涂芍貜?fù)的方式進行微生物組實驗？在現(xiàn)實中，這是一個物流挑戰(zhàn)。將活體微生物運往海外需要堆積如山的文書工作、嚴格的安全規(guī)則，以及近乎荒謬的大量干冰。

“僅僅兩小管微生物就需要用 50 磅干冰包裝，即便如此，有一批貨物還是在海關(guān)融化了�！盢ovak 說。

盡管如此令人頭疼，每個實驗室都設(shè)法在 EcoFABs 中種植植物，用微生物接種它們，并將樣品送回伯克利實驗室進行測試。

在這項研究中，研究人員比較了兩種微生物群落的影響：一種包含 16 種細菌，另一種包含 17 種。唯一的區(qū)別是一種特別具有攻擊性的根部定殖菌——Paraburkholderia sp. OAS925 的存在。在每個實驗室中，當包含這種微生物時，它都一致地占據(jù)了植物的根部環(huán)境。含有這種微生物的植物比不含它的植物生長得稍小——這是一個在三個大洲清晰、可重復(fù)的結(jié)果。

科學家們還研究了根系分泌物，即植物根部釋放的小分子，微生物以它們?yōu)槭�，并作為根系和微生物之間的“化學語言”。使用專用儀器，團隊測量了這些化學物質(zhì)中的幾十種，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)模式在實驗室之間是相同的，證明了實驗是可重復(fù)的。一些不穩(wěn)定的化合物，如多巴胺，變化更大，一些生長室比預(yù)期的溫度更高或更低，導(dǎo)致植物大小的輕微差異。但大局是清晰的：EcoFABs 在全球范圍內(nèi)產(chǎn)生了一致的結(jié)果。

“EcoFAB 的獨特設(shè)計使我們能夠以不同復(fù)雜度水平在全球?qū)嶒炇抑锌芍貜?fù)地監(jiān)測多個相互作用伙伴，” Jülich研究中心的合著者 Borjana Arsova 說�！耙驗槲覀兛梢跃_控制生長條件并隨時間跟蹤發(fā)育，我們可以開始解開這些多向關(guān)系——并最終應(yīng)用這些知識來改善農(nóng)業(yè)�！�

打破可重現(xiàn)性障礙

植物微生物組在農(nóng)業(yè)和環(huán)境方面發(fā)揮重要作用。合適的微生物可以幫助植物抵抗疾病、在貧瘠土壤中生長，并幫助構(gòu)建土壤有機物。但沒有一個通用的系統(tǒng)來研究它們，不同實驗室的結(jié)果往往難以比較。

EcoFABs 通過作為植物微生物組的“模型系統(tǒng)”改變了這一點——就像果蠅改變了遺傳學或植物擬南芥革命化了植物生物學一樣。當各地的科學家使用相同的工具時，發(fā)現(xiàn)可以更快地積累。

在澳大利亞領(lǐng)導(dǎo) EcoFAB 實驗的 Watt 說，這一突破早就應(yīng)該來了。

“將植物-微生物組的好處轉(zhuǎn)化為田間應(yīng)用一直很慢，因為實驗室之間的結(jié)果差異太大了�！盬att 說�！斑@項全球研究顯示，EcoFABs打破了這種可重現(xiàn)性障礙。”

為 AI 提供動力

生成大量可靠數(shù)據(jù)集的能力對人工智能特別有價值。訓(xùn)練 AI 需要一致的信息。有了 EcoFABs，科學家們可以將關(guān)于微生物如何影響植物的干凈數(shù)據(jù)輸入 AI，并開始構(gòu)建模型來預(yù)測現(xiàn)實世界中可能發(fā)生的事情。

“這項研究還提供了關(guān)于這些類型的植物-微生物組研究中實驗室之間實驗變化的一些初步數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對于整合來自多個實驗室數(shù)據(jù)的AI 模型來說很重要，”Northen 說。

社區(qū)工具

科學家可以通過 JGI 的社區(qū)科學計劃和設(shè)施集成用戶科學合作（FICUS）免費獲得 EcoFAB 2.0 設(shè)備，這些是基于提案的倡議，根據(jù)科學優(yōu)點和 DOE 相關(guān)性選擇項目。

17 種微生物混合物可以從德國微生物和細胞培養(yǎng)物保藏中心（DSMZ）訂購，詳細的說明——包括解說視頻——可以在網(wǎng)上找到。新研究的數(shù)據(jù)也可以通過美國國家微生物組數(shù)據(jù)協(xié)作組織免費獲取，為未來的研究人員提供了一個比較自己實驗的基準。

該項目反映了伯克利實驗室合作與創(chuàng)新的核心價值觀，團結(jié)具有專業(yè)知識的團隊來解決挑戰(zhàn)。

接下來，團隊希望將 EcoFABs 與機器人和先進傳感器配對，為這類實驗創(chuàng)建一個自動實驗室。當前系統(tǒng)“EcoBOT”有朝一日可能自動運行實驗，產(chǎn)生連續(xù)的高質(zhì)量數(shù)據(jù)流。最終目標是設(shè)計有助于促進生物能源作物生長和土壤健康的有益微生物群落。

“嚴格的科學意味著在問同樣的問題時獲得一致的結(jié)果，”馬克斯·普朗克研究所的 Paul Schulze-Lefert 說�！巴ㄟ^收集來自三個大洲實驗室的數(shù)據(jù)，這項工作顯示在植物微生物組研究中可重現(xiàn)性是可能的——這是為現(xiàn)實世界農(nóng)業(yè)開發(fā)微生物益生菌的必要步驟�！�