植物育种如何重塑根际微环境？Kernza选育周期中微生物群落与功能的演变规律

本研究针对植物育种对根际微环境的影响这一关键问题，通过分析从野生型到第9选育周期的Kernza根际土壤，发现选育过程显著降低了活性有机质(DOC、DON、PMN)和微生物生物量(PLFA)，但提高了单位微生物的碳氮循环酶活性。结果表明育种塑造了"少而精"的根际微生物群落，为培育具有高效微生物互作能力的作物品种提供了理论依据。

　　

当我们谈论农业的未来时， perennial grain crops（多年生谷物作物）正逐渐成为科学家们关注的焦点。与需要每年重新种植的annual crops（一年生作物）不同，多年生作物凭借其强大的根系系统，能够更有效地保护土壤、节约水资源，并支持丰富的土壤微生物群落。然而，一个关键问题浮出水面：当人类为了更高的产量和更易于收割的性状而选育这些作物时，这是否会无意中影响它们与地下微生物伙伴的共生关系？

在这项发表于《Plant and Soil》的研究中，Hannah R. Rodgers等人将目光投向了Kernza?——第一种商业化的多年生谷物作物，由intermediate wheatgrass（中间偃麦草）选育而来。研究人员首次追踪了从野生种群（选育周期0）到经过9代选育的Kernza（选育周期9）的根际微环境变化，揭示了植物育种对根际微生物群落的深远影响。

为了揭示育种对根际环境的影响，研究团队建立了一套系统的分析方法。他们从每个选育周期采集根际土壤样本，分析了活性有机质池（DOC、DON、PMN）、潜在酶活性、磷脂脂肪酸（PLFA）以及细菌和丛枝菌根真菌（AMF）的DNA。通过广义加性模型（GAMs）等统计方法，他们探索了选育周期与各种微生物指标之间的关系。

选育周期对根际有机质和微生物生物量的影响

研究发现，植物选育显著改变了根际环境。随着选育周期的推进，高度活性的有机质池呈现下降趋势：溶解性有机氮（DON）和潜在可矿化氮（PMN）线性减少，而溶解性有机碳（DOC）则在第6周期达到最低值。

更令人惊讶的是，微生物生物量也出现了显著变化。基于PLFA的测量显示，总微生物生物量在选育过程中下降了约50%，其中从周期0到周期5的下降最为明显。

选育周期对根际微生物多样性和群落组成的影响

通过DNA测序分析，研究人员发现选育过程不仅改变了微生物的数量，还重塑了微生物的群落结构。细菌和AMF的群落组成都发生了显著变化，细菌的alpha多样性（Chao1和ACE指数）随着选育而降低。

在具体分类群水平上，选育降低了一个AMF科（Glomeraceae）和两个细菌科（Kribbellaceae和Pseudonocardiaceae）的相对丰度。

选育周期对根际微生物潜在活性和功能能力的影响

尽管微生物生物量下降，但微生物的活性却呈现出不同的模式。磷循环酶活性（PHOS）线性下降，而 leucine aminopeptidase（LAP，亮氨酸氨基肽酶）、aryl-sulfatase（SUL，芳基硫酸酯酶）和平均碳循环酶活性在后期选育周期（7-9）中呈现上升趋势。

当将酶活性按微生物生物量标准化后，这种趋势更加明显：LAP和平均碳循环酶活性每单位生物量线性增加，而SUL每单位生物量在后期选育周期中同样增加。

基于基因组数据预测的微生物功能能力显示，烃类降解和甲烷氧化这两个功能在后期选育周期中呈现增加趋势。

研究结论与意义

这项研究揭示了植物育种对根际微环境的复杂影响。选育过程不仅降低了根际活性有机质和微生物生物量，还改变了微生物群落结构和功能活性。特别值得注意的是，后期选育周期的植物支持了一个"少而精"的微生物群落——虽然微生物数量减少，但单位微生物的代谢活性反而增强。

研究人员提出了几种可能的解释：资源分配策略的改变可能使植物将更多能量分配给地上部分，减少了对根系和根际的投入；选育方法的转变（从表型选择到基因组选择）可能以不同方式影响了植物-微生物互作；环境胁迫（如周期6的洪涝和根病，以及周期6-7的干旱）可能筛选出了能够与更高效微生物伙伴共生的植物基因型。

这项研究的意义在于为未来作物育种提供了重要启示。如果育种者希望在提高产量的同时，保持或增强作物与有益微生物的共生关系，就需要更加关注地下部分的性状。特别是在气候变化背景下，培育具有强大微生物伙伴关系的作物品种，将有助于建立更具韧性的农业系统。未来的育种项目可以考虑在特定胁迫条件下进行选择，以强化这些有益的植物-微生物互作，最终实现农业的可持续发展。