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與人類微生物組類似，植物微生物組被稱為植物的第二個基因組，對植物生長發育、養分吸收、病蟲害抵御等至關重要。

近日，科學家發現了定殖于玉米莖木質部傷流液內、具有固氮能力且高度保守的核心細菌微生物組，它們為玉米提供了氮素營養并促進根系生長。相關研究成果由中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所（以下簡稱資劃所）植物營養團隊完成，并發表在《自然—通訊》上。

(相關資料圖)

被忽視的玉米“腸道”微生物組

植物體內的微生物組是指生活在植物各部位（例如葉內、根內或莖內）內部的微生物的集合及其與宿主之間的相互作用。

“近年來，大量研究開始關注植物微生物群落的結構與功能，但主要關注植物的根際和葉際這兩個部位，因為這是植物與外界環境（包括微生物）相互作用的兩個關鍵界面，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有效的長距離運輸系統，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、養分等物質在不同器官之間的順利運輸。

也就是說，相對于植物的其他部位，植物莖木質部導管的這種傳導特性使其成為了一個高度動態的內部環境，是連接植物地上和地下的關鍵“通道”。少量研究報道了植物根系選擇性招募的小部分細菌可以通過莖木質部內液體的流動擴散到地上部植物器官。

而艾超和團隊所關注的木質部傷流液，主要是指植物運輸組織（木質部）的汁液受到根壓作用使其在導管中向地上部不斷移動而流出的液體。

他們根據此前的研究結論提出了這樣一個研究假設：“類似于人體腸道微生物組一樣，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，它的氣生根粘液富含固氮菌。這些固氮菌從空氣中捕捉到的氮能為玉米提供29~82%的氮營養。

玉米的“腸道”——木質部導管中會不會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予介紹，固氮菌是一種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其他生物共生時才能固氮的原核微生物。例如，根瘤菌屬與豆科植物共生，形成根瘤共生體固氮；弗蘭克氏菌屬放線菌與非豆科植物共生，形成根瘤共生體固氮。

而聯合固氮菌在植物根表或根皮層內生活，它并不形成根瘤，但也有較強的寄主專一性，并且較自生固氮菌效率高。

“根瘤菌—豆科植物固氮的確已經得到了廣泛關注，非豆科植物，如甘蔗、玉米等作物與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來改善非豆科植物氮營養，從而減少氮肥施用，一直是科學研究的前沿熱點。”艾超說。

玉米莖木質部內生菌的定殖特征中國農科院供圖