利用公民科学快速筛选适应北方气候的根瘤菌以促进欧洲大豆可持续种植

本研究针对欧洲北部地区大豆种植中商业根瘤菌接种剂适应性不足的问题，通过"千园大豆"公民科学项目大规模筛选比利时弗兰德斯地区的本土根瘤菌。研究人员发现两个本地分离的Bradyrhizobium菌株在田间试验中表现优于商业菌株G49，同时揭示了土壤养分含量、微生物α多样性和丛枝菌根真菌(AMF)存在与结瘤的相关性。该研究为欧洲北部大豆可持续种植提供了本土微生物资源和技术支撑。

　　

随着全球对植物蛋白需求的增长，将大豆种植范围扩展到北纬地区成为欧洲农业发展的新趋势。然而，商业根瘤菌接种剂在这些地区的表现参差不齐，主要原因是缺乏对当地气候条件的适应性。大豆作为重要的豆科植物，依赖与根瘤菌的共生关系进行生物固氮(BNF)，这使其能够在不依赖化学氮肥的情况下生长，同时通过固氮作用改善土壤肥力。但在非原产地种植时，大豆需要接种适应当地条件的根瘤菌才能获得经济产量。目前尚不清楚欧洲土壤中是否存在能够有效结瘤的本土根瘤菌，以及如何快速筛选这些稀有菌株。

比利时根特大学(Ghent University)植物生物技术与生物信息学系的研究团队设计了一个创新的公民科学项目"千园大豆"，通过在弗兰德斯地区1200个家庭花园中种植大豆，成功捕获了可能适应本地条件的根瘤菌。这项发表在《The ISME Journal》上的研究不仅发现了性能优异的本地菌株，还深入分析了影响大豆结瘤的土壤和微生物因素。

研究采用了多学科交叉的技术方法：1)公民科学网络大规模采集花园土壤和根瘤样本；2)土壤理化性质(PSC)和磷脂脂肪酸(PLFA)分析；3)16S rRNA和ITS扩增子测序分析微生物组；4)基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF MS)和全基因组测序鉴定菌株；5)无菌蛭石盆栽、非灭菌基质盆栽和田间试验评估菌株性能。

研究结果首先在"花园土壤多样性提供267个根瘤"部分显示，从1200个花园中收集的4436株大豆植株中，386个花园的1004株植株形成了根瘤结构，其中34个红色(活性固氮)根瘤来自27个花园。微生物组分析表明红色根瘤的细菌α多样性显著低于其他颜色根瘤。

"预测根瘤存在的模型"部分通过机器学习分析发现，土壤养分含量(尤其是氮和磷)、AM真菌生物量和细菌α多样性与结瘤概率相关。其中低养分土壤更有利于结瘤，这与豆科植物在低氮条件下更易形成根瘤的生态特性一致。

"根瘤微生物组特征"部分揭示了Tardiphaga ASV1在多数根瘤中占据主导地位的有趣现象，这种非固氮菌可能与根瘤菌存在复杂的互作关系。通过"本土根瘤菌的分离与鉴定"，研究人员从186个根瘤中获得392株独特分离株，其中17株属于Bradyrhizobium属。

"选定菌株的结瘤能力"部分通过三级验证体系(无菌条件→非灭菌基质→田间试验)评估菌株性能。在田间试验中，本地分离的Bradyrhizobium菌株590_E5_N4.2和1200_B8_N1.2在结节数和干重方面显著优于商业菌株G49，其中在Merelbeke试验点的产量分别达到3.61±0.15 t/ha和3.39±0.13 t/ha，蛋白质含量达38.5±0.85%和37.7±0.71%。

"候选菌株的系统发育和共生基因分析"通过全基因组比较发现，性能优异的本地菌株与商业菌株G49或USDA110具有高度基因组相似性(ANI>98.7%)，且都含有完整的固氮(nif)、结瘤(nod)和微氧呼吸(fix)基因簇以及III型分泌系统(T3SS)相关基因。特别是590_E5_N4.2和1200_D9_N1.2与G49的共生岛呈现完全比对，暗示它们可能源自自然化的商业菌株。

研究结论指出，通过公民科学方法能够高效筛选稀有的适应性微生物资源，所获得的本地Bradyrhizobium菌株在田间条件下表现优于商业接种剂，为欧洲北部大豆种植提供了有前景的微生物解决方案。同时，研究揭示了土壤微生物组与结瘤效率的复杂关系，特别是Tardiphaga在根瘤中的普遍存在及其生态角色值得深入探究。该研究不仅建立了从大规模筛选到田间验证的完整技术路线，也为其他作物的微生物资源开发提供了范式参考。未来需要更多田间试验来验证这些菌株在不同环境条件下的稳定性，并探索其与大豆品种的匹配优化策略。