土壤微生物帮助植物应对干旱但与科学家想象的不同
我们脚下是一个复杂的世界,充满了多样化且相互依存的生命。植物在遇到压力时会发出化学信号,召唤微生物来释放结合的养分,并在土壤孔隙中找到水分,这些孔隙对于最细的根来说太小了。作为回报,微生物获得一个安全的生存场所或含糖饮料。
这是一个经典的“你帮我挠背,我帮你挠背”的场景。除非不是这样。伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的新研究 挑战了传统观点,表明自由生活的土壤微生物只是在照顾自己。
在一项 多代实验中, 农业、消费者和环境科学学院 (ACES) 的研究人员发现微生物可以帮助植物应对干旱,但不能响应植物的求救呼声。相反,环境本身选择了耐旱微生物。当这些顽强的微生物发挥作用时,它们也恰好使植物变得更加耐旱。
“这是一个惊喜,因为我期望看到微生物和植物之间共同进化和互利共生的证据。我认为人们,包括我自己,忘记了仅仅因为微生物做了一些对 植物适应性或有益的事情 ,并不一定意味着它们是 为了 植物而做的,” 凯文·里克斯( Kevin Ricks)说,他作为博士论文的一部分完成了该项目 伊利诺伊州生态、进化和保护生物学项目博士学位 。里克斯现在是多伦多大学的博士后研究员。
为了了解微生物如何帮助植物应对干旱,里克斯在有或没有植物的花盆中建立了活的土壤群落。他给一半的花盆浇了充足的水,并在另一半的花盆中施加了干旱条件,然后将这些处理重复了三代。这个想法是为了给选择留出时间——植物可能会发出需要帮助的信号,并选择来帮助它们的微生物。
在实验的第二阶段,里克斯把一切都混合在一起。他再次在第一阶段的土壤中种植植物,并保持相同的浇水处理,但一些植物现在在几代人都浇水充足的土壤中经历干旱,反之亦然。他预计来自历史上干盆的土壤微生物会适应这些条件,比来自历史上湿盆的微生物更能帮助植物抵御干旱。这就是他的发现:当与适应干旱的微生物一起生长时,经历干旱的植物会变得更大。
但是——这是关键——对于第一阶段有或没有植物种植的土壤来说都是如此。换句话说,即使植物没有通过化学信号选择微生物,随着时间的推移,微生物也会适应干旱。然而,当几代人与植物一起种植时,它们仍然能带来好处。这证明这些微生物在做自己的事情,只是顺便帮助植物。
之前有关该主题的研究没有包括无植物控制,这使得研究界得出结论,植物和微生物正在共同进化对话中进行交流。
“我们的结果挑战了关于什么是互惠互利的传统思维。菌根和固氮细菌是一种模型系统,是人们在谈论互利共生时所研究的东西。但是,还有一组更模糊的相互作用,我们还不了解,但最终仍然可能产生互惠互利,或者至少对植物有单向好处。我认为我们的方法使这个系统成为人们关注的焦点。”合著者、 伊利诺伊州 ACES 学院自然资源与环境科学系副教授 托尼·亚纳雷尔 (Tony Yannarell)说道。
研究人员还在进行第二阶段处理之前对一些第一阶段的土壤进行了消毒。在这些盆中,历史上干燥土壤中的植物在经历干旱时也没有好转。
“之前的一些研究实际上并没有比较有微生物和没有微生物的土壤,因此很难真正将微生物视为益处的驱动因素,”亚纳雷尔说。“土壤中有很多东西可能会有所不同,但是当我们在实验中消灭微生物时,我们就失去了适应干旱的好处。”
研究人员没有在实验中识别出这些微生物,因此他们无法确定它们到底如何使植物受益。但里克斯表示,土壤微生物参与了许多可以帮助植物抵御压力的过程。
“微生物负责养分和碳循环,因此无论它们是否真正促进植物获取水分,它们仍然可以释放养分,使植物更健康,更能抵御压力,”他说。
里克斯犹豫是否声称他的研究将改变生态研究的范式,特别是考虑到这是一个专注于自由生活的土壤微生物和单一类型环境压力的温室实验。但他希望这能鼓励其他科学家在未来的研究中考虑无微生物和无植物控制。它们可能只是揭示我们脚下到底发生了什么。
这项研究“土壤水分偶然选择了促进当地适应性植物反应的微生物”,发表在《英国 皇家学会学报 B》上 [DOI: 10.1098/rspb.2023.0469 ]。这项研究是 GEMS 生物整合研究所的贡献,由国家科学基金会 DBI 生物整合研究所计划资助,[奖项#2022049]。它还得到了农业部国家合作研究、教育和推广服务机构(项目编号 ILLU 875-952)以及伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校综合生物学学院和研究生院的支持。
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