玉米也可以固氮？美国研究人员发现一种固氮玉米

玉米（Zea mays L.）是美国种植面积最大的粮食作物，种植面积达9000万英亩，每年需要施氮肥560万吨。近日，加州大学戴维斯分校 Alan Bennett 教授课题组在PLOS Biology在线发表了题为“ Nitrogen fixation in a landrace of maize is supported by a mucilage-associated diazotrophic microbiota”的研究论文，报道了一种固氮玉米，这种玉米或对玉米改良具有重大价值。



玉米是一种野生植物，约一万年前在墨西哥驯化。其中一些驯化品种是在Oaxaca附近Sierra Mixe地区的偏僻村庄中进化而来的。Bennett教授曾提及，“由于无法获得肥料，这里的人们必须在贫瘠土壤中种植作物”。为此，当地农民每年都会进行筛选并开发适合环境种植的玉米。



Sierra Mixe玉米的生理特征

植物与微生物群息息相关，这些复杂的微生物群有助于植物生长、营养获取和植物防御。对于豆科植物来说，与固氮微生物的互利共生有助于其氮素营养的利用，但这些微生物在谷物中的作用却十分有限，包括玉米。研究人员认为Sierra Mixe玉米可能与固氮细菌有关，因此花费了数年时间寻找这些土著品种。在20世纪80年代，曾有人观察到这种玉米生长在氮缺乏的土壤中，但直到2000年左右才出现能够深入研究这种固氮过程的技术。过去十年来，Bennett领导的跨学科团队一直对此过程积极探索，他们相信 “这一发现将为这些国家的作物改良和粮食安全打开希望的大门。”


共同作者Javier Lopez检查Sierra Mixe地区的田间试验。 (Allen Van Deynze/UC Davis)

Sierra Mixe地区发现的热带玉米看起来与传统玉米大不相同。它们可高达16英尺甚至更多，远超于典型的传统品种（12英尺高）；同时，生长周期也比较长，需要8-9个月，而非传统玉米的3个月。


Sierra Mixe地区发现的热带玉米看起来与传统玉米不同（气生根）

研究人员使用15N2气体标记法对Sierra Mixe玉米的粘液、气生根和脱镁叶绿素进行富集分析，结果发现，大气固氮占其氮营养的29％-82％。其中气生根的作用最大，与传统玉米基部附近生长的一组或两组气生根相比，固氮玉米可形成八到十组气生根，而且从不接触地面。


Sierra Mixe玉米的气生根在种植后3至6个月内分泌大量粘液

Sierra Mixe玉米的气生根在种植后3至6个月内分泌大量凝胶状物质或粘液，为细菌提供低氧和富含糖的环境，从而将空气中的氮转化为玉米可以利用的养料。


粘液富含碳水化合物，其主要成分为阿拉伯糖，岩藻糖和半乳糖

文章共同作者Jean-MichelAné教授表示：“我们的研究表明，这种Sierra Mixe玉米中的粘液形成了其固氮的关键组成部分”。


杂交常规玉米品种可减少肥料的使用，并增加土壤贫瘠地区的产量

论文链接：journals.plos.org/plosbiology/article

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