與(yu) 人類微生物組類似，植物微生物組被稱為(wei) 植物的第二個(ge) 基因組，對植物生長發育、養(yang) 分吸收、病蟲害抵禦等至關(guan) 重要。

　　近日，科學家發現了定殖於(yu) 玉米莖木質部傷(shang) 流液內(nei) 具有固氮能力且高度保守的核心細菌微生物組，它們(men) 為(wei) 玉米提供了氮素營養(yang) 並促進根係生長。相關(guan) 研究成果由中國農(nong) 科院農(nong) 業(ye) 資源與(yu) 農(nong) 業(ye) 區劃研究所（以下簡稱資劃所）植物營養(yang) 團隊完成，並發表於(yu) 《自然—通訊》。

　　被忽視的玉米“腸道”微生物組

　　植物體(ti) 內(nei) 的微生物組是指生活在植物各部位（如葉、根或莖）內(nei) 部的微生物的集合及其與(yu) 宿主之間的相互作用。

　　“近年來，大量研究開始關(guan) 注植物微生物群落的結構與(yu) 功能，但主要關(guan) 注植物的根際和葉際這兩(liang) 個(ge) 部位——這是植物與(yu) 外界環境（包括微生物）相互作用的兩(liang) 個(ge) 關(guan) 鍵界麵——而忽視了植物的其他部位。”論文通訊作者、資劃所副研究員艾超告訴《中國科學報》，植物莖木質部導管是一個(ge) 有效的長距離運輸係統，由根和莖之間的靜水壓力梯度驅動。這種驅動力確保了植物所需的水分、養(yang) 分等物質在不同器官之間的順利運輸。

　　也就是說，相對於(yu) 植物的其他部位，植物莖木質部導管的這種傳(chuan) 導特性使其形成了一個(ge) 高度動態的內(nei) 部環境，成為(wei) 連接植物地上和地下的關(guan) 鍵“通道”。少量研究報道了植物根係選擇性招募的小部分細菌可以通過莖木質部內(nei) 液體(ti) 的流動擴散到地上部植物器官。

　　而艾超等人所關(guan) 注的木質部傷(shang) 流液，主要是指木質部的汁液因根壓作用從(cong) 導管中向地上部不斷移動而流出的部分。

　　他們(men) 根據此前的研究結論提出了這樣一個(ge) 研究假設：類似於(yu) 人體(ti) 腸道微生物組一樣，植物莖木質部微生物組可能在植物生長發育中發揮著重要作用。

　　定位玉米“腸道”功能菌

　　國外研究發現，墨西哥哈瓦卡地區貧瘠土壤中生長的玉米，其氣生根黏液富含固氮菌。這些固氮菌從(cong) 空氣中捕捉到的氮能為(wei) 玉米提供29%~82%的氮營養(yang) 。

　　那麽(me) ，玉米的“腸道”——木質部導管中會(hui) 不會(hui) 也存在著固氮微生物？

　　論文第一作者、資劃所博士研究生張儷(li) 予介紹，固氮菌是能進行生物固氮的各種原核生物的通稱，一般情況下它可分為(wei) 三大類——自生固氮菌、共生固氮菌和聯合固氮菌。

　　自生固氮菌指各種自由生活、能獨立固定大氣氮的原核生物，一般固氮能力較弱。

　　共生固氮菌指必須與(yu) 其他生物共生時才能固氮的原核微生物。例如，根瘤菌屬與(yu) 豆科植物共生，形成根瘤共生體(ti) 固氮；弗蘭(lan) 克氏菌屬放線菌與(yu) 非豆科植物共生，形成根瘤共生體(ti) 固氮。

　　而聯合固氮菌在植物根表或根皮層內(nei) 生活，它並不形成根瘤，但也有較強的寄主專(zhuan) 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廣泛關(guan) 注，非豆科植物，如甘蔗、玉米等作物與(yu) 固氮菌的聯合固氮作用也得到了證實。未來如何充分利用生物固氮改善非豆科植物氮營養(yang) ，從(cong) 而減少氮肥施用，一直是科學研究的前沿熱點。”艾超說。

　　他們(men) 發現，相對於(yu) 非根際土壤、植物根係等其他植物部位，玉米莖木質部傷(shang) 流液選擇性地招募了以γ—變形菌綱為(wei) 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協助固氮菌。其群落結構幾乎不隨地理距離和環境距離變化。

　　研究人員通過豐(feng) 度—占有模型確定了木質部內(nei) 的25個(ge) 核心微生物群落。它代表了在不同地點、不同施肥製度以及玉米基因型下可以穩定存在的一組微生物類群。

　　未開發的微生物資源

　　為(wei) 了驗證這些核心微生物群落在玉米生長發育中的作用，研究人員首先構建了由兩(liang) 個(ge) 核心固氮菌和兩(liang) 個(ge) 輔助菌組成的合成群落。

　　他們(men) 利用驗證試驗證實了合成群落在植物體(ti) 內(nei) 的定殖特征，又通過15N同位素稀釋方法證明了合成群落的生物固氮能力。

　　“玉米生長65天後，合成群落為(wei) 玉米莖貢獻了11.8%的總氮。”艾超說，不僅(jin) 如此，合成群落還增加了玉米根係生物量。

　　根據全基因組測序結果，合成群落具有吲哚—3—乙酸（IAA）、乙烯等合成代謝途徑，這些生長激素可能對植物根係生長起到非常關(guan) 鍵的作用。接種合成群落後，玉米根係生物量增加了13%。

　　“核心內(nei) 生菌與(yu) 玉米宿主之間存在多機製的相互作用關(guan) 係。”艾超強調，這些被忽視的植物“腸道”功能菌代表著一類未開發的微生物資源，可能在作物固氮促生方麵發揮關(guan) 鍵作用。

　　而且，研究證明，玉米“腸道”的核心功能菌在不同環境條件、不同玉米基因型下普適性存在，預示其在玉米的生長過程中可能扮演著更為(wei) 重要的角色。

　　“令我們(men) 驚喜的是，基因組數據顯示，核心菌株中可能存在未被發現的細菌新種，我們(men) 會(hui) 對這一結果做進一步驗證。”艾超說。

　　資劃所周衛院士團隊長期從(cong) 事養(yang) 分資源高效利用研究，該項研究通過評估不同土壤類型、氣候區和基因型的玉米微生物組的組裝機製和功能，證實了莖木質部微生物組的固氮和促生功能，對今後植物促生菌研究和微生物肥料研發具有重要借鑒意義(yi) 和參考價(jia) 值。（李晨）