植物在其生长的土壤中与微生物结成同盟。例如，豆科植物受益于与微生物的共生关系，这些微生物栖息在根瘤中，并在大气中“固定”氮，使其能够促进豆科植物的生长。但是微生物总是对植物有益吗?或者菌株之间的竞争是否会降低细菌最终提供的服务?
加州大学河滨分校(University of California, Riverside)的科学家们领导的一个团队通过实验来回答这些问题，并更好地了解竞争过程。研究人员使用了一种带有根瘤的加州原生植物，Acmispon strigosus，以及一组8种兼容的固氮菌株。
他们用八种菌株中的每一种感染一些植物，直接测量它们感染植物并提供益处的能力。然后，他们用成对的菌株感染其他植物，以评估每种菌株的竞争能力和对植物性能的影响。
研究人员发现，土壤中有益细菌菌株之间的竞争降低了细菌为宿主提供的服务。这项名为“根瘤菌之间的竞争干扰减少了对宿主的好处”的研究发表在《当代生物学》杂志上。
“更具体地说，我们发现，在细菌感染植物之前，土壤中发生的品系间竞争导致更少的细菌在植物上定居，导致植物最终获得的好处更小，”领导该研究小组的进化、生态学和有机生物学教授乔尔·萨克斯(Joel Sachs)说。
“为了理解共生关系，我们经常使用无菌条件，其中一种细菌被‘接种’或引入到其他无菌宿主中。我们的实验表明，让这个系统稍微复杂一点——一次只需要使用两种细菌菌株——从根本上改变了宿主获得的利益平衡，重塑了我们对共生如何运作的理解。”
萨克斯解释说，农业的一个核心挑战是利用微生物为作物提供的服务，以可持续的方式促进作物生长，而不需要化肥的环境成本。他的实验室研究促进植物生长的根瘤菌。
根瘤菌竞争是可持续农业长期存在的问题。根瘤菌在豆科植物上形成根瘤，在根瘤内，细菌为植物固定氮，以换取光合作用产生的碳。长期以来，种植者一直在寻求利用根瘤菌对大豆、花生、豌豆和四季豆等主要豆类作物进行可持续施肥。
“有人可能会认为使用根瘤菌作为接种剂可以让种植者尽量减少化学氮的使用，这是对环境有害的，”萨克斯说，他是进化、生态和生物学系的主任。但这种根瘤菌接种很少成功。当种植者用高质量的根瘤菌(能够固定大量氮的菌株)接种作物时，这些‘精英’菌株就会被已经存在于土壤中、对宿主几乎没有好处的本土根瘤菌打败。”
在他们的实验中，萨克斯和他的同事们使用了他们已经测序了基因组的细菌菌株。他们还对这些菌株进行了表征，从高度有益的固氮到无效的固氮，以确切地了解它们对目标植物物种的有益程度。研究人员对1100多个根瘤的内容物进行了测序，每个根瘤都来自于接种了28种不同菌株组合中的一种的植物。
接下来，研究人员开发了数学模型，根据“克隆感染”(感染一种菌株)的植物的预期，预测共接种的植物将获得多少益处。这使得研究人员可以计算出由种间竞争引起的生长赤字。
“我们的模型显示，共接种的植物从共生中获得的好处远低于从克隆感染中获得的好处，”萨克斯实验室的前研究生、该研究论文的第一作者阿拉法特·拉赫曼(Arafat Rahman)说。“虽然有益细菌在实验室里工作得很好，但它们在自然环境中却处于劣势。最终，我们希望找到一种或一组能给寄主植物带来最大利益的细菌，并能与已经存在于土壤中的细菌菌株竞争。”
萨克斯解释说，为了发现和开发一种对植物非常有益的菌株，科学家需要在非常干净的条件下进行实验。
“最终，我们希望在农业中使用有益细菌，”他说。“为了识别这些细菌，我们通常会在实验室中向植物中添加一种细菌菌株，并表明植物在这种菌株下生长得比没有这种菌株的植物好得多。然而，在野外，这种植物被微生物覆盖，使情况变得复杂。在我们的实验中，我们从使用一种菌株发展到使用两种菌株，看看这对植物生长有什么影响。有趣的是，只有两种菌株，我们的许多预测都失败了。”
拉赫曼强调，虽然需要实验来确定一种细菌菌株有多有益，但也需要实验来测试这种菌株与一组其他细菌菌株的竞争能力。
“这两个步骤都至关重要，”他说。“我们的研究发现，一些最好的菌株对植物生长非常有益，但一旦你将它们与任何其他菌株配对，这种益处就会大大减少。”此外，重要的是要知道菌种间竞争发生在哪个阶段:在细菌与植物相互作用之前还是之后?我们的工作表明是前者，并为设计未来的实验提供了有用的指导，旨在发现更适合作物输送的菌株。”
萨克斯说，在目前的许多实验设计中，重点是对植物的好处。
“然而，重要的是要记住，细菌是由自然选择形成的，”他说。“其中一些可能在进入根瘤感染植物时具有很强的竞争力，但对植物不是很有益，这可能是一种在自然界中胜出的特性。如果我们要利用微生物群落为植物和动物提供的服务，我们需要了解这些群落中的菌株间动态。”
萨克斯和拉赫曼认为，可持续增长实践需要成为新农业的一个关键方面，以便在有限的资源基础上养活不断增长的人口。
萨克斯说:“这将需要改变过去的污染方法，比如向土壤中添加大量化学氮。”“了解如何有效地将有益微生物输送到目标宿主是医学、农业和畜牧业科学的核心挑战。通过揭示菌种间动态会减少共生的好处，我们的工作为改善可持续农业实践开辟了新的研究途径。”
与萨克斯和拉赫曼一起参与这项研究的还有加州大学r分校的马克斯·曼奇、卡桑德拉·纳顿、伊万·a·佩雷斯、瓦里沙·f·法萨明、马修·t·兰普、特拉姆·h·勒和洛雷纳·托雷斯Martínez，以及俄勒冈州立大学的亚历山德拉·j·韦斯伯格和杰夫·h·张。拉赫曼计划加入俄勒冈州立大学做博士后研究员。
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希望本篇文章《研究深化了对细菌促进植物生长机制的认识》能对你有所帮助！
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