研究发现,大麦能够通过调整根部分泌物来“培育”其根部周围的有益微生物群落。
现代农业科学给我们带来了一些超级植物,正如我们人类习惯做的那样,我们对这些令人难以置信的作物给予了充分的信任。
但英国约翰·英尼斯中心分子微生物学家雅各布·马龙领导的团队的一项新研究发现,我们可能不是唯一参与积极性状选择的农民。植物本身完全有能力调整其生态系统来“培育”它们喜欢的微生物种类。
根据该团队的分析,大麦(*Hordeum vulgare*)——世界上大部分啤酒供应的作物——通过释放糖分的量来仔细管理其根部周围的微生物群落。
尽管工业化农业有着控制的光环,但事实证明,作物育种的一个主要方面已经受到科学雷达的关注:植物根部或“根际”周围土壤中的微生物组。
有益微生物可以决定植物的成败。例如,可以利用*Pseudomonas*(假单胞菌)的植物可以享受诸如增强营养可用性、抑制病原体和增强免疫系统等益处。
但假单胞菌是一个善变的朋友:它可以在多种寄主植物中定居,因此植物之间存在竞争,以吸引这些小型牲畜中最好的。
马龙的团队想要找出在同一土壤环境中生长的不同大麦品种为何以及如何招募不同的有益根际细菌和真菌。
该实验涉及两种大麦植物品种:一种是具有 200 年历史的地方品种啤酒大麦 Chevallier,另一种是 2004 年推出的现代品种,称为 Tipple。
农作物可以大致分为地方品种或现代品种。 “长白”源自德语单词*landrasse*,意思是“乡村品种”,虽然它的定义在不断演变,但长白作物可以大致理解为当地的驯化植物物种,随着时间的推移,已经适应了其生态和文化环境(而不是通过刻意选择)。
另一方面,现代品种不一定是本地的,而是针对某些遗传性状进行专门选择和培育的,有时会进行杂交,通常用于工业水平的生产。
研究小组写道,像 Tipple 大麦这样的现代谷物品种“经过精心培育,具有积极的农业特性,包括高产量和种子淀粉含量、短秸秆和良好的麦芽特性”。
他们补充说:“虽然这些积极性状的结合大大提高了产量和作物质量,但这些变化对植物生理和生态影响的更广泛影响以及由此产生的作物的可持续性却知之甚少。”
研究小组在受控温室实验室中从发芽后的两种大麦种子中种植了三周,然后从每个品种的三种不同植物中采集了根际样本。在琼脂上培养这些微生物后,他们在每株植物中随机选择 20 个分离株,从而产生 120 个分离株来代表每个品种的根际。
研究小组报告说:“我们观察到两个品种之间根际和根部相关微生物的丰度存在明显差异,Tipple 比 Chevallier 招募的假单胞菌数量明显多。”
他们发现这些植物正在招募具有特定遗传和物理特征的假单胞菌,就像人类农民根据所需的特性选择农作物一样。
醉酒栽培植物的根部分泌物中含有较高水平的单糖(称为单糖),有利于假单胞菌适应在这些碳源上生长。
另一方面,谢瓦利耶根拥有更加微生物多样化的根际,这反映了植物复杂的根部分泌物。地方品种植物似乎对它们的“农场”土壤真菌也有更多的控制力:*Candida*(念珠菌)种类几乎完全被排除在外,而 *Rhizopus*(斋藤菌)种类则大大丰富。
另一方面,Tipple 植物似乎无法影响根部周围生长的真菌,从而导致真菌多样性减少。
研究小组写道:“我们的结果支持植物生长和招募的微生物组组成之间存在依赖于品种的联系,这表明我们在这里看到的微生物组塑造对植物健康具有真正的影响。”并补充说,这个过程比他们之前想象的要复杂。作者说:“确定我们在此描述的现象在农田生长的作物中观察到的程度是未来研究的一个关键挑战。”
这项研究发表在 *PLOS Biology* 上。