微生物在提高杂交玉米活力方面起着关键作用

【字体: 时间:2021年07月22日 来源:Proceedings of the National Academy of Sciences

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  《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的一项新研究显示,土壤微生物能提高“杂交活力”,这是一种众所周知的现象,即玉米自交系和其他作物杂交后,产生的后代在产量、抗旱性和其他理想品质方面都优于亲本。

  

       

 

发表在《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences)上的一篇新论文对美国最大的经济作物玉米的种植提供了新的细节和理解。

堪萨斯大学(University of Kansas)的一个团队进行的这项研究以“杂交活力”(hybrid vigor)为中心,杂交活力也被称为“杂种优势”(heterosis),这是一种众所周知的现象,即玉米和其他作物的自交系杂交,产生的后代在产量、抗旱性和其他理想品质方面优于其亲本。然而,尽管经过了一个多世纪的深入研究,支持杂种优势的机制却很少被了解。

新的PNAS研究调查了杂种优势和土壤微生物之间的关系,表明在大多数情况下,杂种优势是由微生物群落促进的。

该研究的第一作者Maggie Wagner说:“杂交优势在农业中非常重要,因为过去几十年作物产量大幅提高的原因之一就是使用杂交品种,杂交品种往往比自交系品种产量更高、更强壮、更健康。尽管这很重要,但我们仍然不能完全理解为什么杂种比自交系优越。杂种优势的遗传一直是人们关注的焦点,这是有道理的,因为杂交是一个遗传过程——但也有一些证据表明,环境在影响杂种优势的强弱方面也很重要。在这篇论文中,我们证明了生活在土壤中的微生物是对杂种优势有真正重要影响的环境因素之一。”

在一系列实验中,Wagner和她的合著者发现,在大多数情况下,自交系和杂交种在没有微生物存在的无菌条件下表现相似,但杂种优势“可以通过接种7个细菌菌株的简单群落来恢复”。研究人员对接种了“在生长室内高压灭菌的和活土壤浆液的幼苗,以及在田间蒸熟或熏蒸的和未经处理的土壤中”的植株进行了同样的研究。

Wagner说:“在实验室实验中,我们基本上是在塑料袋里种植这些植物,以便为它们提供一个完全无菌的环境。这让我们能够完全控制哪些微生物(如果有的话)与植物相互作用。所以,这只是一些基本的微生物学,以及一种新的生长环境。但在田间,我们尝试了几种不同的方法来消毒土壤,包括蒸汽熏蒸,这是经常使用的,尤其是在水果和蔬菜生产中。它通常不用于玉米生长,但在这个实验中,它对我们来说是有意义的。我们也尝试了一些化学熏蒸剂,所有这些方法都得到了相似的结果。”

在野外试验站进行的土壤蒸蒸试验中——这种试验暂时消除或减少了微生物——研究人员发现,蒸蒸“增加了而不是减少了杂种优势,这表明这种效应的方向取决于群落组成、环境或两者兼有。”

Wagner说:“这很复杂,我们还没有完全理解到底发生了什么。前三个实验都显示了同样的效应方向。但在第四次实验中,我们再次发现微生物影响杂种优势,但方向相反,杂交后代对不育条件有更积极的反应。我们认为这可能只是由于这个实验中土壤中的微生物群落的某些特殊原因,但我们还不确定。”

Wagner说:“我的合作者是北卡罗来纳州立大学的Manuel Kleiner,他是宏蛋白质组学的专家,宏蛋白质组学是一种测量植物根内微生物蛋白质表达的方法。我们希望更多地了解杂交和近交种是如何与微生物以不同的方式相互作用的,可能是通过影响微生物的行为。我们的另一个合作者是美国农业部的Peter Balint-Kurti。他是玉米免疫系统和抗病遗传基础方面的专家,所以他要绘制一些与杂交种对微生物反应相关的基因。在堪萨斯州,我实验室的研究生Kayla Clouse将研究这种现象的一些更广泛的模式——例如,我们还不知道是否所有的玉米杂交后代都会以同样的方式对微生物作出反应。到目前为止,我们只在一种杂交中证实了这一点,所以我们需要弄清楚它有多普遍——我们也希望弄清楚微生物群落是如何在两个方向上影响这种反应的。她未来的很多论文工作都将与这个项目有关。”

Microbe-dependent heterosis in maize

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