孙学军
农作物高产也需要土壤细菌,菌群氢气代谢需要引起重视 精选
2021-8-3 10:24
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土壤菌群和植物表型的关系越来越受到重视。我更想知道,能产氢气的土壤细菌,是否也和杂种优势的形成密切相关?氢气对植物的作用已经有众多研究,土壤内大多数细菌都具有代谢氢气的能力,加拿大华裔学者也在10年前提出氢肥的概念,既然说杂种优势和土壤细菌有关,我认为不应该只停留在氮肥的层次,应该上升到氢肥的高度,这一方面能提高研究创新性,也给氢气的生物医学地位提供更强的支持,希望农学学者积极开展相关研究。

氢气对植物生长的影响调节作用已经有大量研究,但对产生这种作用的分子基础仍然存在许多疑问,如果从菌群角度开展研究,能给我们打开一个非常巧妙的缺口,因为氢气在微生物代谢具有枢纽作用,其作用代谢过程也非常明确,如果这种调节过程成立,那么明确拿出氢气调节植物生长的微生物调控代谢路线将是囊中之物。

玉米和其他主要作物的丰收依赖于一种被称为杂交活力的神秘现象。生活在土壤中的微生物对生长在该土壤中的作物产量和抗病虫害能力的影响可能比以前所知的要大。当高度近交系的品种杂交时,它们的后代更高,更耐寒,产出更多粮食。现在,研究人员报告说,这种活力在某种程度上受到土壤中的微生物的影响,可能是通过植物的免疫系统。

2021721日,国际权威学术期刊PNAS发表了美国堪萨斯大学Manuel Kleiner团队的最新相关研究成果,题为Microbe-dependent heterosis in maize的研究论文。该研究表明,土壤中的微生物--像病毒、细菌和真菌这样的微小生物在杂交现象或"杂交活力"中发挥着作用,即杂交植物系或杂交品种比近交植物系的性能更优越。杂交种因其优越的作物产量而经常被农民用于农业生产。

“这是一个非常有趣的发现,”剑桥大学的植物遗传学家贾尔斯·奥尔德罗伊德(Giles Oldroyd)说。“我很惊讶直到现在人们才开始研究这种现象

杂种优势是指杂种第一代在体型、生长率繁殖力及行为特征方面均比亲本优越的现象。动物育种家常将两个具有某些所需性状的不同纯系亲本进行杂交,获得的杂种子代往往表现出比双亲优良的性状。但杂种第一代再互相交配,这种优势将减弱。达尔文是最早描述杂种优势的研究者之一。20世纪初,生物学家开始将这种效应应用于农业,创造出产生杂交种子的自交系。到20世纪40年代,几乎所有美国农民都在种植杂交玉米,产量成倍增长。我国著名科学家袁隆平正是利用杂交技术培育出的高产杂交稻,其基本原理就是杂种优势。

遗传学家对杂种优势的成因提出了几种理论,但还没有明确的解释。

堪萨斯大学劳伦斯分校的植物遗传学家玛吉·瓦格纳(Maggie Wagner)想知道杂种优势是否与微生物有关。这些微生物对植物产生很大的影响。例如,叶子和根经常被有益细菌和真菌群落占据,这些细菌和真菌有助于保护植物免受致病微生物的侵害。一些作物,如大豆和其他豆科植物,寄主微生物为它们提供氮——一种必不可少的植物养分,否则农民必须通过化肥来运送氮。

2020年,瓦格纳在一项实地研究中发现了一个有趣的线索。他们发现杂交玉米的叶子和根部有不同于自交系玉米的微生物群落。

当冬天来临,田地休耕时,瓦格纳试图用实验室实验来复制这一发现。研究人员将种子放入袋中,袋中装有经过杀菌处理的类土物质,以杀灭所有微生物。然后,他们在一些袋子里添加了一个简单的土壤细菌群落——已知的7种可以寄生在玉米根上的菌株——而让其他的袋子保持无菌状态。当有微生物存在时,杂交品种比近交品种生长得更好,正如预期的那样,根的重量比近交品种多20%令他们惊讶的是,杂交玉米和自交系玉米在贫瘠的土壤中生长的差不多,两种玉米的根和芽的重量几乎没有差别。

科学家们重复了这个实验,将从土壤中提取的全套微生物添加到一些消毒袋中,这一发现再次得到证实。“结果看起来很有说服力,”奥德罗伊德说。

瓦格纳说:“作为一种混合体,植物与微生物的互动方式有所不同。”该团队认为微生物阻碍了近交系的生长,而不是给杂种带来特别的促进。

可能是近亲繁殖的免疫系统对良性微生物反应过度,影响了它们的生长。另外,杂交植物可能更能抵抗土壤中的弱病原体。瓦格纳说:“我们计划继续进行许多工作。

奥尔德说,这些结果突出了植物育种家需要将作物的基因与它们所生活的微生物群落相匹配。乌得勒支大学植物生物学家Corné Pieterse补充说,这些发现充分说明了解土壤微生物在提高农业生产力和可持续发展方面的作用的重要性。“这带来了巨大的希望。”


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