禾本科作物与固氮微生物的联合固氮作用是农业生态系统中氮养分输入的关键源头之一。然而，现代农业生产中由于化学氮肥的大量施用，抑制了禾本科作物与固氮菌的联合固氮作用。但是，禾本科作物如何招募、富集固氮微生物，以及氮是如何调控禾本科作物与联合固氮细菌互作的机制仍不清楚。
甘蔗和玉米是已知的具有较强联合固氮能力的禾本科作物。解析氮是如何调控甘蔗、玉米与联合固氮菌的互作，将为充分利用联合固氮作用推动农业的绿色可持续发展提供理论基础。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。该论文在禾本科作物甘蔗和玉米上揭示了氮是通过调控根尖黏液形成以及黏液中的关键信号物质—苯甲酸，调控甘蔗、玉米特异招募、富集联合固氮菌，从而促进联合固氮菌在甘蔗和玉米根系上的定殖，增强联合固氮能力。
图1. 氮调控甘蔗、玉米与联合固氮菌互作
该研究首先在田间条件下发现，低氮处理显著提高单子叶作物根系Burkholderia_Paraburkholderia 的相对丰度。低氮处理还促进甘蔗根尖黏液形成，且黏液具有较强的固氮酶活性。同时从甘蔗根部分离获得联合固氮菌SUR17，进行荧光标记。进一步研究发现，低氮促进 Paraburkholderia SUR17对黏液的趋化作用及其在根系的定殖。
图 2. 苯甲酸参与联合固氮菌招募同时抑制其他细菌
代谢组学分析发现，低氮条件下，甘蔗根系分泌的黏液中含有大量的苯甲酸，并且发现荧光标记的联合固氮菌SUR17对苯甲酸具有明显的趋化作用，并且能够耐受高浓度的苯甲酸。进一步研究发现，苯甲酸不仅参与招募了联合固氮菌SUR17，还能同时抑制其他细菌的生长。在土壤中添加苯甲酸能显著提高土壤中Burkholderia_Paraburkholderia 的相对丰度，增加土壤中NifH基因的拷贝数，从而提高土壤中生长的玉米植株的氮含量和固氮能力。总之，该研究揭示了低氮下禾本科作物通过调控根尖形成黏液以及黏液中的关键信号物质苯甲酸，特异性地选择和富集联合固氮菌，从而促进联合固氮菌在禾本科作物根系的定殖，并增强其联合固氮作用。
值得一提的是，通过利用关键信号物质苯甲酸，可以调控禾本科作物根系的微生物组，促进联合固氮微生物的定殖，为增强禾本科作物联合固氮能力以及推动农业绿色可持续发展提供一种可行的策略。
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
澳门·威尼斯人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Current Biology, Plant Cell, JIPB等杂志上发表多篇论文。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（2021YFF1000500），福建省自然科学基金（2022J01617）和国家自然科学基金（31830083/32002120）的支持。