eLife | 植物微生物组：饥饿的根系如何获得它们的微生物！

如果农民可以使用土壤中自然存在的微生物而不是昂贵的、有污染的化学品来照料他们的作物，会怎么样？像人类一样，植物依赖于复杂的微生物群，其中包含成千上万种不同的细菌和真菌。这些微生物中有许多对其宿主非常有益：例如，有些微生物可以分解有毒物质，中和致病有机体，增加水和营养物质的可用性，甚至通过改变植物体内激素的平衡来促进生长。然而，将这些微生物的力量用于农业，说起来容易，做起来难。微生物群由于其复杂性而具有挑战性，人工引入的有益物种往往会被无数其他土壤微生物所取代。一些研究人员并没有试图在一个已经很拥挤的系统中增加新的生物体，而是把重点放在一个新的目标上：宿主的基因组。这种方法依赖于这样一个事实：单个植物的基因构成可以影响它所招募的微生物种类，这种现象被称为"微生物组遗传性"。因此，对作物进行基因改良，使其能够从任何土壤中吸引出优秀的微生物组是可能的。

2022年7月，国际权威学术期刊eLife发表了美国内布拉斯加大学林肯分校杨金良和James Schnable团队的最新相关研究成果，题为Association analyses of host genetics, root-colonizing microbes, and plant phenotypes under different nitrogen conditions in maize的研究论文。

该团队扫描了具有不同遗传背景的单个植物的基因组，同时还使用DNA分析方法来检查其根部相关的微生物组的组成。首先，分析发现了几十个微生物组，它们与玉米基因组中600多个区域的遗传变异有关；关键是，这些微生物组也与植物的物理性状有关。例如，62个微生物群体的丰度与冠层覆盖率的变化相关，冠层覆盖率通常被用作植物活力的代表。这些群体中的大多数显示出受植物基因型控制的证据，表明玉米可以影响其健康的土著微生物的丰度。然而，这些发现是基于相关性的，排除了关于微生物是否影响冠层覆盖或反之的任何明确结论。虽然微生物群体确实可以促进叶子的生长，但也有可能具有更密集树冠的植物具有更高的光合作用率，因此可以生产更多的糖来喂养互利的微生物。不过，结果还是表明，这些可遗传的微生物与植物的物理性状有关，无论是直接还是间接。

第二，研究人员以前所未有的细节研究了玉米基因组中与根际生物群组成相关的区域。通过将微生物组数据与230个玉米基因型的基因组序列信息相结合，研究人员能够确定119个与细菌丰度有关的基因组"热点"。这些区域内的基因更有可能在根部表达，使它们成为进一步调查根际生物组遗传控制的候选基因。

此外，研究小组收集到的证据表明，这些热点可能处于净化选择之下，这是一个通过消除不太有利的基因变体来保存有利基因变体的进化过程。由于这些细菌群与树冠覆盖有关，这表明选择可能已经作用于可遗传的微生物本身。现在需要仔细的实验，以证明事实上是微生物改变了植物的适应性，并成为自然选择的目标，而不是特定的根部特征，这些特征对植物的适应性很重要，但也恰好与这些微生物的存在有关。

最后，研究人员的工作说明了环境如何影响宿主基因组和微生物组之间的关系。在他们的研究中，具有相同遗传背景的植物被种植在施肥（高氮）或未施肥（低氮）的土地上。在所有被检查的细菌群中，只有23%的细菌在两种条件下都与植物的基因型有关；30%的细菌只在一种处理方法中可遗传。此外，每一个基因组热点都是针对施肥或未施肥的田块。众所周知，环境与基因型相互作用，形成表型。然而，这些最新的结果清楚地表明，植物根据其营养需求招募不同的微生物组。

在玉米中，根际生物群的组成受到基因型和环境之间相互作用的影响

对塑造根际生物群组成的机制的这些见解也为玉米的进化史提供了一个有趣的视角。在其存在的大部分时间里，这个物种是一种叫做teosinte的野生草，生长在现在的墨西哥西南部。数百万年来，自然选择可能有利于使teosinte获得更多的氮的遗传变化，包括那些通过促进与有益微生物的共生关系而发挥作用的遗传变化。当种植者在大约9000年前驯化茶树时，他们可能继续选择这些提高氮含量的变体，因为他们为田地挑选最多产的基因型。上个世纪工业化农业的兴起可能改变了这些进化的压力。高产栽培品种的培育与化学肥料的广泛使用相吻合。有了充足的合成氮，使茶籽和早期玉米通过根系特性和微生物相互作用获得氮的遗传变异可能变得不那么有利。反过来，这将放松维持它们几千年的净化选择，这种变化已经在豆科植物等其他作物中观察到。目前，现代农业实践给环境带来了很高的成本，挑战我们找到使农业更可持续的方法。土壤中的有益微生物可以成为这一努力的有力工具。展望未来，了解哪些植物基因支持这些微生物，可能有助于我们从基因上改进养活我们世界的作物。

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