全球新消息丨生物固氮，玉米“肠道菌”送惊喜

与人类微生物组类似，植物微生物组被称为植物的第二个基因组，对植物生长发育、养分吸收、病虫害抵御等至关重要。

近日，科学家发现了定殖于玉米茎木质部伤流液内具有固氮能力且高度保守的核心细菌微生物组，它们为玉米提供了氮素营养并促进根系生长。相关研究成果由中国农科院农业资源与农业区划研究所（以下简称资划所）植物营养团队完成，并发表于《自然—通讯》。

被忽视的玉米“肠道”微生物组

(资料图)

植物体内的微生物组是指生活在植物各部位（如叶、根或茎）内部的微生物的集合及其与宿主之间的相互作用。

“近年来，大量研究开始关注植物微生物群落的结构与功能，但主要关注植物的根际和叶际这两个部位——这是植物与外界环境（包括微生物）相互作用的两个关键界面——而忽视了植物的其他部位。”论文通讯作者、资划所副研究员艾超告诉《中国科学报》，植物茎木质部导管是一个有效的长距离运输系统，由根和茎之间的静水压力梯度驱动。这种驱动力确保了植物所需的水分、养分等物质在不同器官之间的顺利运输。

也就是说，相对于植物的其他部位，植物茎木质部导管的这种传导特性使其形成了一个高度动态的内部环境，成为连接植物地上和地下的关键“通道”。少量研究报道了植物根系选择性招募的小部分细菌可以通过茎木质部内液体的流动扩散到地上部植物器官。

而艾超等人所关注的木质部伤流液，主要是指木质部的汁液因根压作用从导管中向地上部不断移动而流出的部分。

他们根据此前的研究结论提出了这样一个研究假设：类似于人体肠道微生物组一样，植物茎木质部微生物组可能在植物生长发育中发挥着重要作用。

定位玉米“肠道”功能菌

国外研究发现，墨西哥哈瓦卡地区贫瘠土壤中生长的玉米，其气生根黏液富含固氮菌。这些固氮菌从空气中捕捉到的氮能为玉米提供29%~82%的氮营养。

那么，玉米的“肠道”——木质部导管中会不会也存在着固氮微生物？

论文第一作者、资划所博士研究生张俪予介绍，固氮菌是能进行生物固氮的各种原核生物的通称，一般情况下它可分为三大类——自生固氮菌、共生固氮菌和联合固氮菌。

自生固氮菌指各种自由生活、能独立固定大气氮的原核生物，一般固氮能力较弱。

共生固氮菌指必须与其他生物共生时才能固氮的原核微生物。例如，根瘤菌属与豆科植物共生，形成根瘤共生体固氮；弗兰克氏菌属放线菌与非豆科植物共生，形成根瘤共生体固氮。

而联合固氮菌在植物根表或根皮层内生活，它并不形成根瘤，但也有较强的寄主专一性，固氮效率比自生固氮菌高。

“根瘤菌—豆科植物固氮得到了广泛关注，非豆科植物，如甘蔗、玉米等作物与固氮菌的联合固氮作用也得到了证实。未来如何充分利用生物固氮改善非豆科植物氮营养，从而减少氮肥施用，一直是科学研究的前沿热点。”艾超说。

他们发现，相对于非根际土壤、植物根系等其他植物部位，玉米茎木质部伤流液选择性地招募了以γ—变形菌纲为主的高度保守的核心微生物群落，其中含有部分高效固氮和协助固氮菌。其群落结构几乎不随地理距离和环境距离变化。