大麻种子微生物组的“暗物质”揭秘：培养与非培养细菌组分的生态互作与农业应用潜力

本研究针对大麻种子微生物组中大量未培养细菌（"microbial dark matter"）的生态功能缺失问题，通过多培养基培养与扩增子测序（ASVs）分析，揭示仅6.3%的细菌可培养但占种群89.2%，未培养类群（如Acidobacteriae）通过共现网络展现核心互作枢纽作用，为农业微生物资源开发提供新策略。

　　

背景与挑战
种子是植物世代间微生物传递的“时空胶囊”，其内生的微生物组（microbiome）对宿主发芽、抗逆性和生态适应性具有深远影响。然而，传统培养方法仅能捕获环境微生物的1%左右，这种“伟大的平板计数异常”现象在种子等寡营养环境中尤为突出。大麻（Cannabis）作为兼具经济与药用价值的重要作物，其种子微生物组的研究长期受限于培养技术的瓶颈。尽管高通量测序揭示了种子中存在丰富的微生物“暗物质”（如Acidobacteriae和Verrucomicrobiae），但这些类群的功能潜力因无法培养而难以挖掘。更关键的是，微生物间的互作如何影响其可培养性（culturability）仍是未解之谜。

研究设计与方法
格拉茨工业大学的研究团队创新性地结合培养组学（culturomics）与扩增子测序技术，对54个地理来源各异的大麻种子基因型展开系统研究。通过种子萌发激活休眠菌群，采用含大麻提取物的定制培养基延长培养至30天，最终获得1192株纯培养菌株。利用PacBio平台对全长16S rRNA基因测序，并与前期V4区扩增子数据集（PRJEB64469）比对，构建了培养与非培养菌群的系统发育图谱。通过FlashWeave算法解析微生物共现网络，量化了节点中心性指标（如betweenness和closeness centrality）。

主要发现

1. 培养菌群的有限多样性
尽管研究使用了12种培养基（包括低营养与大麻提取物补充配方），仅分离到5个细菌纲（Gammaproteobacteria、Bacilli等）的36个属。Pantoea和Bacillus为优势菌属，分别占分离株的25.78%和14.79%。值得注意的是，90.45%的分离株与扩增子数据集存在>99%序列相似性，证实培养菌群确实来源于种子内生环境。

2. 未培养菌群的生态权重
对比分析显示，仅6.32%的ASVs（占种群89.2%）被成功培养，而59.62%的ASVs与培养菌株的16S rRNA基因相似度<85.93%，属于系统发育遥远类群。这些“暗物质”包含具有植物促生潜力的稀有类群（如Acidobacteriae），其平均相对丰度不足0.28%，暗示它们在种子中可能以低活性状态存在。

3. 网络互作驱动可培养性
共现网络分析揭示未培养ASVs具有显著更高的连接度（P=0.0038）和枢纽邻近性（P=0.00075）。例如，Subgroup_2（Acidobacteriae）的未培养成员作为核心枢纽，与多个菌群存在正互作。相反，培养菌株多位于网络边缘，暗示其独立生长能力较强。

结论与展望
该研究首次量化了大麻种子微生物组中“可培养性缺口”的规模，证明微生物互作（如营养依赖或竞争排斥）是阻碍关键类群分离的主因。通过锁定网络枢纽类群，未来可设计合成群落（SynComs）或微流控培养芯片突破培养瓶颈。这一发现为作物微生物组育种（microbiome breeding）提供了新思路——通过恢复野生基因型中的互作菌群（如Pelomonas与Burkholderia的共生组合），可能增强栽培大麻的抗逆性。研究发表于《Environmental Microbiome》，为植物-微生物共进化理论提供了实证案例。