微生物在玉米“杂交活力”中的作用

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Manuel Kleiner mkleine@ncsu.edu

彼得Balint-Kurti pjbalint@ncsu.edu

特蕾西皮克 tppeake@ncsu.edu

生活在土壤中的微生物可能对种植在该土壤中的作物的产量和抗病虫害有比以前知道的更大的影响。

北卡罗莱纳州立大学的研究人员和堪萨斯大学的表明,土壤中的微生物,微生物(如病毒、细菌和真菌在自然界发现的——在杂种优势现象中发挥作用或“混合动力活力,”跨越了植物的性能优越,或混合动力车,天生的植物。由于杂交作物产量高，农民经常使用它们进行农业生产。

对杂种优势的研究普遍强调遗传和非生物环境因素的作用。因此，研究人员说，发现生物土壤环境影响杂种优势有点令人惊讶和意外。

“这项工作促使我们更好地理解杂种优势的驱动因素，”北卡罗来纳州立大学(NC State)植物与微生物生物学助理教授曼努埃尔·凯鹏纳(Manuel Kleiner)说。他是一篇描述这项研究的论文的共同通讯作者。“微生物是对玉米作物产生影响的关键因素——不仅仅是温度和土壤类型。”

研究人员在北卡罗莱纳和堪萨斯州的实验室和田间试验中，用两种自交系玉米和这两种作物的杂交品种进行了试验。

研究人员首先在无菌袋中种植杂交和自交系玉米;这两种植物在袋子里长出的根和芽大小相似。但是，当研究人员将一组已知与自然界玉米根有关的受控微生物添加到袋子中时，杂交种比自交种长得更多——它们的根和芽更重——显示出杂种优势的预期效果。

克莱纳说:“这似乎是微生物对自交系产生负面影响的结果，而不是对杂种的帮助作用。”

类似heterosis-enhancing观察微生物的活动在北卡罗来纳州的实地测试混合动力和自交系是生长在未经处理的情节,情节抗菌化学处理,在情节处理抗菌化学和土壤的“烹饪”的方法发送超级蒸汽。

令人惊讶的是，当在堪萨斯州进行类似的实验时，观察到相反的效果——减少土壤中微生物种群的处理增加了杂种优势。

“我们现在可以说微生物将对杂种优势产生影响，但我们不能预测这些影响的方向，”Kleiner说。

“我们知道微生物正在以不同的方式影响玉米的自交系和杂交种，但其影响可能取决于环境或土壤中的特定微生物，”北卡罗来纳州的美国农业部植物病理学教授、论文的合著者彼得·贝林特-库尔蒂(Peter Balint-Kurti)说。

研究人员计划继续研究微生物对玉米杂种优势的影响。

这篇论文发表在美国国家科学院院刊．这项研究得到了美国国家科学基金会(National Science Foundation) ios2033621和OIA-1656006的资助。麦琪·瓦格纳(Maggie Wagner)是堪萨斯大学(University of Kansas)生态学和进化生物学的助理教授，曾在北卡罗来纳州立大学(NC State)担任博士后研究员，是这篇论文的首席和共同通讯作者。

-kulikowski -

编辑报告:论文摘要如下。

“玉米微生物依赖杂种优势”

作者: Clara Tang, Fernanda Salvato, Alexandria Bartlett, Simina Vintila, Shannon Sermons, Mark Hoffmann, Peter J. Balint-Kurti和Manuel Kleiner，北卡罗来纳州立大学;Maggie R. Wagner, Kayla M. Clouse和Laura Phillips，堪萨斯大学

发表2021年7月20日美国国家科学院院刊

DOI：10.1073 / pnas.2021965118

摘要杂交品种几乎占了所有商业种植的玉米品种和许多其他作物品种，因为这些品种的自交系之间的杂交产生的F1后代的表现大大优于它们的亲本。这一现象被称为杂种优势或杂种优势，尽管经过了一个多世纪的深入研究，其背后的机制仍未被很好地理解。主要的假说集中在定量遗传机制(显性、超显性和上位性)和分子机制(基因剂量和转录调节)上，它们能够解释一些但不是所有观察到的杂种优势模式。然而，杂种优势可能的生态驱动因素在很大程度上被忽视了。本研究表明，玉米根系生物量和其他性状的杂种优势强烈依赖于地下微生物环境。我们发现，在某些情况下，自交系在这些标准下表现与不育条件下的F1后代一样好，但通过接种7个菌株的简单群落可以恢复杂种优势。我们观察到，在生长室内用高压灭菌和活土壤泥浆接种的幼苗，以及在田间用蒸或熏蒸和未经处理的土壤种植的植株，都有相同的模式。然而，在不同的田间条件下，土壤蒸煮的杂种优势不是降低而是增加，说明其影响的方向取决于群落组成、环境或两者兼有。总之，我们的结果证明了一种新的生态现象，即土壤微生物对自交系和杂交玉米早期生长的不同影响。