植物与土壤中的微生物形成了一种共生关系。例如，豆科植物通过根瘤中的微生物从大气中获取氮元素，促进其生长。然而，微生物对植物总是有益的吗？还是菌株间的竞争会影响它们提供的服务？

　　加州大学河滨分校的科学家们通过实验探讨了这些问题，旨在更深入地理解竞争过程。他们选用了加州原生植物Acmispon strigosus及其8种兼容的固氮菌株进行研究。

　　研究人员首先用每种菌株单独感染植物，测量其感染和促进植物生长的能力。接着，他们用成对的菌株感染其他植物，评估每种菌株的竞争力及其对植物生长的影响。

　　研究发现，土壤中不同菌株间的竞争会降低细菌对宿主植物的服务质量。这项研究发表在《当代生物学》杂志上，题为“根瘤菌之间的竞争干扰减少了对宿主的好处”。

　　“具体来说，我们发现，在细菌感染植物之前，土壤中的菌株竞争导致更少的细菌能够定植在植物上，从而减少了植物获得的好处，”进化、生态学和有机生物学教授乔尔·萨克斯解释说。

　　“为了理解共生关系，我们通常在无菌条件下进行实验，只引入一种细菌菌株。我们的实验表明，稍微增加系统的复杂性——使用两种菌株——就足以改变宿主获得的利益平衡，重新定义了我们对共生关系的理解。”

　　萨克斯指出，农业的核心挑战之一是利用微生物服务来促进作物生长，减少对化肥的依赖。他的实验室专注于研究促进植物生长的根瘤菌。

　　根瘤菌的竞争一直是可持续农业面临的难题。它们在豆科植物根部形成根瘤，细菌在其中固定氮，植物则提供光合作用产生的碳。种植者希望利用这种关系来为大豆、花生、豌豆等作物提供可持续的肥料。

　　“人们可能会认为使用根瘤菌作为接种剂可以减少对化学氮的依赖，这对环境有益，”萨克斯说，他是进化、生态和生物学系的主任。然而，这种接种往往不成功，因为高效的根瘤菌菌株会被土壤中已有的、对植物几乎无益的本土菌株所取代。

　　在实验中，萨克斯和他的团队使用了基因组已测序的菌株，并对这些菌株进行了详细的表征，从高效固氮到无效固氮，了解它们对目标植物的益处。他们对1100多个根瘤进行了测序，这些根瘤来自于接种了28种不同菌株组合的植物。

　　研究人员还开发了数学模型，预测共接种的植物将获得多少益处，并计算出由菌株间竞争导致的生长赤字。

　　“我们的模型显示，共接种的植物从共生中获得的好处远低于单一菌株感染的植物，”萨克斯实验室的前研究生、该研究论文的第一作者阿拉法特·拉赫曼说。“虽然在实验室中这些有益菌株表现良好，但在自然环境中它们处于劣势。我们希望找到能与土壤中现有菌株竞争并为植物带来最大利益的菌株。”

　　萨克斯强调，为了发现和开发对植物有益的菌株，科学家需要在严格控制的条件下进行实验。

　　“最终，我们希望在农业中广泛使用这些有益菌株，”他说。“在实验室中，我们通常只添加一种菌株，并证明其对植物生长的促进作用。然而，在自然环境中，植物被各种微生物覆盖，情况变得复杂。我们的实验从使用一种菌株发展到使用两种菌株，结果发现许多预测都失败了。”

　　拉赫曼强调，确定一种菌株的益处和其在菌株群中的竞争力同样重要。

　　“这两个步骤都不可或缺，”他说。“我们的研究发现，一些最佳菌株对植物生长非常有益，但一旦与其他菌株配对，这种益处就会大大减少。”此外，了解菌株间竞争发生在何时也很重要：是在细菌与植物互动之前还是之后？我们的研究表明是前者，这为未来实验设计提供了指导，旨在发现更适合作物使用的菌株。

　　萨克斯指出，目前许多实验设计都关注植物的益处。

　　“然而，我们不能忘记，细菌也是通过自然选择进化的，”他说。“一些菌株可能在竞争中表现出色，但对植物并不那么有益，这可能是它们在自然界中生存的关键。如果我们要利用微生物群落为植物和动物提供服务，我们需要了解这些群落中的菌株动态。”

　　萨克斯和拉赫曼认为，可持续农业实践将成为新农业的核心，以在有限资源的基础上养活不断增长的人口。

　　“这需要改变过去的污染做法，比如大量使用化学氮，”萨克斯说。“了解如何有效地将有益微生物输送到目标宿主是医学、农业和畜牧业科学的核心挑战。通过揭示菌株间动态如何减少共生的好处，我们的工作为改善可持续农业实践开辟了新的研究途径。”