土壤里的微生物“记得”干旱，能帮植物活下来

堪萨斯大学生态学与进化生物学副教授、合著者玛吉·瓦格纳表示：“生活在土壤中的细菌、真菌及其他生物实际上会对许多重要事物产生影响，比如碳封存、养分移动，以及我们特别感兴趣的——对植物的遗留效应。”

她说：“我们对此产生兴趣是因为多年来其他研究人员一直在描述土壤微生物的这种生态记忆——它们能以某种方式记住祖先的过往。我们认为这非常有趣。这对我们如何种植植物（包括玉米和小麦等作物）具有许多重要启示。降水本身对植物生长有很大影响，但生活在土壤中的微生物的‘记忆’也可能发挥作用。”

瓦格纳指出，虽然之前已观察到遗留效应，但其细节仍不清楚。更清晰的认识最终可能帮助农民和农业生物技术公司利用有益微生物。

她说：“我们并不真正了解遗留效应是如何起作用的。例如，在基因层面哪些微生物参与其中，以及它们如何发挥作用？哪些细菌基因受到影响？我们也不清楚气候遗留效应如何通过土壤传递给微生物，然后最终影响植物。”

该团队从堪萨斯州的六个地点采集了土壤样本，范围从较湿润的东部地区到西部地势较高、较干燥的高平原地区——由于落基山脉的雨影效应，西部地区降雨量较少。其目的是比较遗留效应如何沿这条气候梯度变化。

瓦格纳说：“这是与英国诺丁汉大学的一个团队合作进行的。我们分担了工作，但大部分实验——实际上是整个实验——都是在堪萨斯大学进行的，而且我们的研究也主要集中在堪萨斯州的土壤上。”

在堪萨斯大学，瓦格纳及其同事评估了这些土壤中的微生物群落对植物的影响。

她说：“我们使用了一种传统方法，将微生物视为一个‘黑箱’。我们让植物在具有不同干旱记忆的不同微生物群落中生长，然后测量植物的生长表现，以了解哪些因素有益，哪些无益。”

研究人员将微生物群落分别置于充足水分或水分非常有限的环境中五个月，以强化它们不同的水分可利用历史。

瓦格纳说：“即使经过数千代细菌繁殖，干旱记忆仍然可以被检测到。我们观察到的最有趣的方面之一是，对于那些土生土长的本地植物，微生物遗留效应比那些来自其他地方、因农业目的种植但非本地的植物要强得多。”

为了初步测试植物种类如何与微生物遗留效应相互作用，该团队比较了一种作物（玉米）和一种本地草本植物（摩擦禾）。他们指出，还需要更多物种来证实这一模式，但早期结果表明，本地植物可能与当地微生物历史有更强的关联。

她说：“我们认为这与这些植物的共同进化历史有关，也就是说，在很长一段时间里，摩擦禾一直与这些特定的微生物群落共存，而玉米则没有。玉米起源于中美洲，在这个地区仅种植了几千年。”

除了植物生长表现外，研究人员还检测了微生物和植物的基因活性，以在分子层面探索遗留效应背后的潜在机制。

瓦格纳说：“最让我们兴奋的基因是烟酰胺合成酶基因。它产生的分子主要帮助植物从土壤中获取铁元素，但也有记录显示它能影响某些物种的耐旱性。在我们的分析中，植物在干旱条件下会表达这种基因，但前提是它生长在具有干旱记忆的微生物群落中。植物对干旱的反应取决于微生物的记忆，这一点我们觉得很有趣。”

瓦格纳指出，摩擦禾正被考虑作为获取有用基因的来源，以改良胁迫条件下的玉米。

她说：“我之前提到的那个基因可能很有价值。对于专注于向作物添加微生物的生物技术公司来说，这为寻找具有有益特性的微生物提供了线索。农业领域的微生物商业化是一个价值数十亿美元的产业，且仍在增长。”

瓦格纳在堪萨斯大学的合作者包括第一作者尼科尔·金南（现就职于加州大学河滨分校）、娜塔莉·福特（现就职于宾夕法尼亚州立大学）；诺丁汉大学的瓦莱里娅·库斯托迪奥、大卫·戈保尔钱、迪伦·琼斯、达伦·威尔斯和加布里埃尔·卡斯特里略；墨西哥国立自治大学的伊赛·萨拉斯-冈萨雷斯；以及佛得角农业与环境部的安吉拉·莫雷诺。

瓦格纳说：“这项研究的价值之一在于其跨学科性。我们将基因分析、植物生理学和微生物学结合起来，使得我们能够提出并回答以前无法解决的问题。”

这项研究得到了美国国家科学基金会综合有机体系统学部的资助。