From teosinte to modern maize: domestication and crop improvement reshape the endophytic microbiome

每株植物的组织内都隐藏着一个微观世界，那是生活在其根部和叶片内部、繁忙而活跃的细菌与真菌群落。这些微小的邻居不仅仅是乘客；它们是不可或缺的伙伴，帮助植物吸收养分、抵御压力并防御疾病。几个世纪以来，人类一直在塑造作物的进化，通过筛选具有大种子或高产量等特征的植物来进行改良。这一被称为“驯化”的过程，将野生祖先转化成了我们今天所食用的现代品种。但随着植物基因的变化，一个关键的问题随之而来：那些生活在植物体内的隐形群落发生了什么变化？那些培育出更优质玉米的力量，是否也改变了帮助其生存的微生物伙伴？理解这种关系至关重要，因为如果现代农业在无意中剥夺了农作物有益的微生物，我们可能就失去了一个构建更具韧性和可持续农业的关键工具。

一支研究团队致力于通过比较玉米从其野生祖先到现今田间高产杂交种的内部微生物生活，来追踪这段隐形的历史。他们收集了代表玉米进化全谱系的种子：被称为“大刍草”（teosinte）的野生草类、农民世代种植的传统品种，以及经过科学育种的现代品系。为了确保比较的公平性，他们在同一个温室中种植了所有这些不同类型的植物，使用完全相同的土壤和护理方式，以便将内部微生物的任何差异都归因于植物自身的遗传特性，而非其环境。他们仔细收集了每株植物的叶片和根部，并对表面进行了消毒处理，以确保研究的对象仅为生活在植物内部的微生物，随后对细菌和真菌群落的 DNA 进行了测序，以观察其中的物种组成及其多样性。

结果揭示了随着玉米从野生向现代农田演变过程中，出现了一种明显的流失与变化模式。野生的大刍草和传统的土地品种拥有最丰富且多样性最高的微生物群落，尤其是真菌。相比之下，现代改良后的玉米品系在其组织内部携带的微生物种类显著减少。有趣的是，通过将传统土地品种与现代品系进行杂交而产生的杂交种，显示出真菌多样性的意外提升，这表明混合遗传背景可能有助于恢复在数个世纪育种过程中丢失的部分微生物丰富度。研究人员发现，植物体内的位置最为关键：生活在根部的群落与生活在叶部的群落有着本质的区别，无论植物类型如何，它们都形成了截然不同的群体。然而，即使在这些特定的位置内，玉米的类型依然起着作用。野生植物的体内栖息着以促进营养循环和生长著称的细菌与真菌，而现代品种则由不同的微生物群主导，这些微生物通常出现在人工管理的农业土壤中。

这种转变不仅是物种组成的变化，还涉及微生物群落可能具备的功能变化。野生玉米内部的微生物似乎更擅长产生有助于植物与环境互动并自然应对压力的化合物。然而，现代玉米中的微生物展现出的功能特征则更趋向于在人类管理的世界中生存，其中含有较高比例的致病性生物或在受扰动环境中繁衍的生物。研究表明，虽然植物组织的物理位置是塑造这些群落的最强驱动力，但植物本身的历史——无论是野生草类还是现代杂交种——已悄然重塑了其内部生态系统的多样性与功能。研究结果指出，野生近缘种和传统品种是极其珍贵的微生物多样性宝库，为那些希望恢复作物与微观盟友之间有益伙伴关系的育种者提供了一条潜在的途径。