ISME | 美国伊利诺伊大学研究还原玉米改良历史中根际微生物的改变过程！

玉米一开始并没有成为今天的强势作物。在它经历驯化和改良的几千年里，玉米大部分时间都是在环境和小农能提供的范围内谦卑地生长。为了满足肥料需求，早期的玉米通过从根部渗出一种含糖分泌物，招募固氮的土壤微生物。这种根系分泌物的基因配方从父辈传给后代以确保正确的微生物发挥作用（Nature Reviews Microbiology | 植物-微生物互作：从群落组装到植物健康；Cell Host & Microbe | 重磅！Schulze-Lefert团队揭示根系分泌香豆素与微生物互作改善植物铁营养！Current Biology | 新观点：根际微生物通过关键代谢物塑造群落的时空发展与农业生产力）。但随后的绿色革命改变了一切。育种工具得到了极大的改进，导致玉米比世界上任何时候都更快生长、更高产。而合成肥料的使用也成了惯例。玉米就是在那一刻离开了它的微生物伙伴。在土壤环境中，我们不再依赖微生物功能，从而增加了对地上性状的选择，并降低了微生物的可持续性。换句话说，在半个世纪的进化过程中，玉米育种以不可持续的方式改变了它的微生物组（Nature Plants | 美国普渡大学综述在不同农业生态系统中进行精准微生物组管理的新兴策略！Nature Plants | 可调控的农作物只需一喷即可：对作物进行瞬时重编程以提高农艺性状！）。

近日，权威学术期刊ISME发表了美国伊利诺伊大学香槟分校Angela D. Kent教授团队的相关研究成果，题为Maize germplasm chronosequence shows crop breeding history impacts recruitment of the rhizosphere microbiome的研究论文。

科研人员发现现代玉米品种比早期品种招募了更少的有益微生物，这些微生物能固定土壤中的氮，并可供作物吸收。相反，在过去几十年的作物改良中，玉米越来越多地招募有害微生物。这些微生物使得合成氮肥和其他氮源逃逸到土壤中，以强效温室气体的形式或水溶性形式进入水域，造成缺氧的 "死亡区"。为了弄清楚玉米微生物组是如何变化的，本研究在温室中按照年代序列种植了20个玉米品系的，重新创造了1949年到1986年的玉米育种历史。

图1：本研究中使用的种质时间序列映射到氮肥随时间推移的使用情况

作为微生物的来源，科研人员使用了当地农田的土壤，这些土壤至少有两年没有种植玉米或大豆。当植物生长36天后，他们对从附着在根部的土壤中收集的微生物DNA进行了测序。本研究表征了与氮循环中发生转化相关的微生物组和微生物功能基因：固氮、硝化和反硝化。结果发现最近开发的玉米品系招募了较少的能够可持续供氮的微生物群体和更多有助于氮损失的微生物。

图2：玉米种质时间序列中细菌和真菌群落的变化

图3：玉米种质时间序列中氮循环基因的变化

图4：基于WGCNA和PICRUSt2代谢途径的预测，玉米根际微生物组的分类单元和预测的代谢途径

在那个时期，育种者并没有选择固氮和氮矿化等微生物功能的维持，因为我们已经用农艺管理取代了所有这些功能。当我们开始选择产量和其他性状等地上功能时，我们无意中选择了微生物的可持续性，甚至主动选择了硝化和反硝化等不可持续的微生物功能。现在，很明显已经发生了一些变化，育种家们能不能在未来的玉米杂交种中把有益的微生物带回来？科研人员认为"重新野化 "玉米微生物组是非常可能的。答案就在类玉米中，这种野草大多数人必须眯着眼睛才能想象它是现代玉米的母本。就像各地的野生事物一样，类玉米在整个生态系统的丰富背景下进化，与其他生物形成了密切的关系，包括土壤微生物，使植物更容易获得土壤养分。科研人员认为应该可以找到负责创造吸引固氮微生物的根部分泌物的基因。然后，只是将这些基因引入到新型玉米杂交种中。尽管类玉米目前的农业景观中的需求相去甚远。但它可能不仅拥有鼓励这些微生物关联的关键；它还可能帮助玉米抵御气候变化和其他压力。让玉米找回自己固氮系统的能力，将使生产者能够施用更少的氮肥，导致系统整体的氮素损失减少。

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