失而复得：重新发现改变农业可持续性的微生物奥秘

现代农业面临提高养分利用效率并减少环境影响的迫切需求。植物根际微生物活动形成的'扩展表型'（即微生物组相关表型，MAPs）对养分循环至关重要，其中硝化和反硝化作用会导致农田氮素流失，而野生作物近缘种（如玉米的祖先大刍草）具有抑制这些过程的生物硝化抑制（BNI）和生物反硝化抑制（BDI）特性，但现代玉米因选育过程丢失了这些性状。

本研究利用玉米 - 大刍草近等基因系（NILs），探索将大刍草基因导入现代玉米以恢复相关性状的可能性。田间实验显示，大刍草基因导入能解释根际原核生物群落13%和真菌群落12%的变异，部分导入片段对微生物组成影响显著，如变形菌门、放线菌门等类群丰度改变。同时，这些导入片段影响氮循环功能基因（如amoA、nirK）的组成，降低潜在硝化和反硝化速率，减少氧化亚氮（N2O）排放。例如，NIL021和NIL047株系的硝化速率比对照B73降低50%，部分株系反硝化速率降低52%。

遗传分析发现，第5和第9号染色体上的导入区域含与次生代谢、硫代谢相关的候选基因（如苯丙氨酸解氨酶基因pal7、半胱氨酸合成酶基因等）。代谢组学显示，BNI株系根系分泌物中硫化合物、脂肪酸等代谢物富集，这些分泌物能直接抑制硝化菌活性，部分效果优于合成抑制剂。杂交实验表明，导入BNI性状的玉米在低氮条件下生物量和氮吸收量提高，且不影响产量，高氮条件下籽粒蛋白含量增加。

综上，该研究证实大刍草基因可通过改变根系化学组成重塑根际微生物组，恢复氮素保留能力，为培育可持续农业作物提供了遗传和生化基础。