研究增进了对细菌如何有益于植物生长的理解

植物与它们生长的土壤中的微生物结成联盟。例如，豆类受益于与微生物的共生关系，这些微生物栖息在根部的根瘤中，并“固定”大气中的氮，使其可用于促进豆类的生长。但微生物总是对植物有益吗?或者菌株之间对植物访问的竞争是否会降低细菌最终提供的服务?

由加州大学河滨分校的科学家领导的团队进行了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本土植物 Acmispon strigosus和一组八种相容的固氮细菌菌株。他们用八种菌株中的每一种感染一些植物，以直接测量它们感染植物并提供益处的能力。然后，他们用成对的细菌菌株感染其他植物，以评估每种菌株的竞争能力以及对植物性能的影响。

研究人员发现，土壤中有益细菌菌株之间的竞争会降低细菌为其宿主提供的服务。

“更具体地说，我们发现，在细菌感染植物之前，土壤中发生的菌种间竞争会导致植物上定植的细菌数量减少，从而导致植物最终获得的益处变小，”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，我们经常使用无菌条件，将一种细菌菌株‘接种’或引入其他无菌宿主中。我们的实验表明，使该系统稍微复杂一些——只需一次使用两种细菌菌株——从根本上改变了宿主获得的利益的平衡，重塑了我们对共生如何运作的理解。”

研究结果发表在《当代生物学》 杂志上。

萨克斯解释说，农业的一个核心挑战是利用微生物为农作物提供的服务，以可持续的方式促进生长，而不需要化肥的环境成本。他的实验室研究根瘤菌——促进植物生长的细菌。根瘤菌竞争是可持续农业的一个长期存在的问题。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，以交换光合作用中的碳。种植者长期以来一直寻求利用根瘤菌为大豆、花生、豌豆和绿豆等主要豆类作物可持续施肥。

“人们可能认为使用根瘤菌作为接种剂应该可以让种植者最大限度地减少化学氮的使用，这对环境有害，”进化、生态和有机生物学系主任萨克斯说。“但这种根瘤菌接种很少成功。当种植者给作物接种高质量的根瘤菌(能够固定大量氮的菌株)时，这些“精英”菌株就会被已经存在于土壤中且对宿主几乎没有任何益处的本土根瘤菌击败。”

在他们的实验中，萨克斯和他的同事使用了基因组已经测序的细菌菌株。他们还对固氮效果从高度有益到无效的菌株进行了表征，以准确了解它们对目标植物物种的有益程度。研究人员对 1,100 多个根瘤的内容物进行了测序，每个根瘤都来自接种了 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，预测共同接种的植物将获得多少益处。这使得研究人员能够计算出因品系间竞争而具体引起的生长赤字。

萨克斯实验室前研究生、该研究论文的第一作者阿拉法特·拉赫曼 (Arafat Rahman)表示：“我们的模型表明，共同接种的植物从共生中获得的收益远低于克隆感染的预期收益。” “虽然有益细菌在实验室中运作良好，但它们在自然环境中却在竞争中被击败。最终，我们希望找到一种细菌——或一组细菌——能够为宿主植物带来最大的利益，并且能够与土壤中已有的细菌菌株竞争。”

萨克斯解释说，为了发现和开发一种对植物高度有益的菌株，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，并表明植物在有该菌株的情况下生长得比没有该菌株的情况要好得多。然而，在野外，该植物被微生物覆盖，使情况变得复杂。在我们的实验中，我们从使用一个菌株发展到使用一对菌株，以了解这对植物生长有何影响。有趣的是，只有两种菌株，我们的许多预测就落空了。”

拉赫曼强调，虽然需要进行实验来确定某种细菌菌株的益处，但也需要进行实验来测试该菌株相对于一组其他细菌菌株的竞争力。