作物驯化与改良如何重塑根系及微生物群落？

现代农业高度依赖作物驯化与改良成果，这些活动在提高产量的同时，也降低了作物的遗传多样性。与此同时，根系作为植物吸收养分、水分的关键器官，其微生物群落对植物健康和生长意义重大。那么，驯化和改良对作物根系功能及相关微生物群落有何影响呢？

来自德国波恩大学的于鹏教授团队通过综述型研究，深入探讨了这一问题。相关研究近日发表于《农业科学与工程前沿》(英文)期刊（DOI: 10.15302/J-FASE-2024593）。

研究发现，作物驯化与改良显著重塑了根系性状和相关微生物群落的结构与功能。在根系性状方面，驯化使得作物侧根长度和密度、胚根数量、主根长度等均发生改变。以玉米为例，在驯化过程中，其胚根数量有所增加，然而侧根密度却降低，根毛长度也有所缩短，根直径减小，比根长增加；而在后续的现代改良进程里，玉米的侧根密度又再度增加，主根长度变长，皮层细胞大小增大。

微生物群落结构和功能同样受到了深刻影响。从野生作物到现代作物的演变过程中，多种微生物的相对丰度发生了显著变化。例如，丛枝菌根真菌在玉米驯化过程中数量减少，但在现代玉米杂交种中有所富集；假单胞菌在玉米杂交种的根际环境中更为常见。在普通菜豆的进化历程中，从野生祖先到地方品种再到现代品种，根际中噬几丁质菌科和噬纤维菌科的相对丰度逐渐降低，而类诺卡氏菌科和根瘤菌科的相对丰度逐渐增加。这些微生物群落组成的改变，对作物的养分吸收、免疫能力等方面产生了重要作用。

进一步探究其机制，研究人员发现，作物驯化和改良通过基因调控、改变根系结构与功能以及根系分泌物特征，影响微生物群落的组装和功能。例如，玉米驯化基因teosinte branched1能调控根系发育，改变根际微生物群落组成；杂交种玉米因基因表达差异，其根际微生物群落结构和功能与亲本不同。在小麦的驯化过程中，从野生品系到现代品种，籽粒中的植物防御代谢物、抗氧化剂、植物激素和蛋白质氨基酸显著增加，并且在从野生二粒小麦到二粒小麦再到硬粒小麦的驯化过程中，根际中不同代谢物（如果糖、甘露醇和山梨醇）的模式因土壤类型而异，这些根系分泌物的变化对根际和根内的微生物群落产生了深远影响。

该研究总结了作物驯化与改良影响根系特征及其相关微生物群落结构功能的研究现状，深入剖析了其影响机制，为未来育种工作提供了坚实的理论基础。