禾本科作物与固氮微生物之间的协同固氮作用，是农业生态系统中氮素营养的重要来源之一。不过，随着现代农业中化学氮肥的广泛使用，这种自然的固氮过程受到了抑制。对于禾本科作物如何吸引并积累固氮微生物，以及氮素如何影响作物与这些固氮细菌之间的互动，科学界尚缺乏深入了解。
甘蔗和玉米作为典型的禾本科作物，表现出较强的协同固氮能力。深入研究氮素如何调节这两种作物与固氮菌的相互作用，有助于我们更好地利用这一自然过程，以促进农业的绿色可持续发展。
近日，国际知名期刊《国际微生物生态学会期刊》ISME Journal在线发表了题为“Benzoic acid facilitates ANF in monocot crops by recruiting nitrogen fixing Paraburkholderia”（苯甲酸促进禾本科作物招募固氮副伯霍尔德氏菌）的研究论文。该研究揭示了氮素通过影响根尖黏液的形成及其中的关键信号物质——苯甲酸，来调控甘蔗和玉米特定地吸引和累积固氮副伯霍尔德氏菌的过程，进而促进这些固氮菌在作物根部的定居，加强了它们的固氮效能。
图1. 氮调控甘蔗、玉米与联合固氮菌互作
研究团队首先观察到，在田间试验中，低氮环境能够显著提升单子叶作物根部Burkholderia_ Paraburkholderia属细菌的相对数量，并促进了甘蔗根尖黏液的产生，该黏液显示出了强烈的固氮酶活性。此外，从甘蔗根部分离出的联合固氮菌SUR17被荧光标记后，研究者们发现低氮条件增强了该菌对黏液的趋向性及其在根部的定殖。
图 2. 苯甲酸参与联合固氮菌招募同时抑制其他细菌
通过代谢组学分析，研究者确定了在低氮条件下，甘蔗根部分泌的黏液富含苯甲酸，而SUR17菌株对苯甲酸有显著的趋化反应，同时还能承受较高浓度的苯甲酸。更进一步的研究表明，苯甲酸不仅能吸引SUR17菌株，还具有抑制其他细菌生长的作用。当向土壤中添加苯甲酸时，可明显增加土壤中Burkholderia_Paraburkholderia属细菌的数量，提升土壤中NifH基因的拷贝数，从而提高生长于其中的玉米植株内的氮含量和固氮效率。
综上所述，该研究表明，在低氮环境下，禾本科作物如甘蔗和玉米可通过调节根尖黏液的形成及其中的苯甲酸含量，特异性地选择并丰富联合固氮菌，促进这些有益微生物在作物根系的定居，进而强化固氮效果。这项研究不仅增进了我们对作物-固氮菌共生关系的理解，也为通过调控关键信号物质来优化作物根际微生物群落，提高作物固氮能力，实现农业绿色发展提供了新的思路。
图 3.苯甲酸参与禾本科作物招募和富集联合固氮菌的机制
福建农林大学根系生物学研究中心长期致力于作物养分高效利用的应用基础研究。硕士毕业生刘冉和李瑞瑞为论文共同第一作者，钟永嘉教授为论文通讯作者。钟永嘉教授从事作物养分高效的根际微生物机制，在多个高水平期刊上发表研究成果。根系中心廖红教授，李欣欣教授，国家甘蔗工程技术研究中心黄国强老师，生命科学学院尤垂淮老师以及中国科学院分子植物科学卓越创新中心朱新广研究员等参与了本项目的研究。该研究得到了国家重点研发计划，福建省自然科学基金和国家自然科学基金的支持。
