玉米是全球粮食与饲料链中的重要作物。美国约生产全球供应量的30%，仅2024-25生长季产量就接近2.78亿公吨。玉米的驯化起源可追溯至墨西哥中部的野生玉米（teosinte，源自纳瓦特尔语“teocintli”，意为“神圣的玉米”），在数千年的驯化与选择育种后，逐步形成现代栽培玉米。

研究人员近期将目光重新投向这一野生近缘种，试图识别在驯化过程中可能被弱化或丢失、但与根系—土壤微生物互作及氮循环相关的性状。

据《科学进展》发表的一项研究，研究团队比较了现代玉米与整合特定野生玉米遗传性状的玉米品系。结果显示，这些性状可在根际（根系周围狭窄的土壤区域）形成不同的微生物环境，并在田间条件下对氮循环产生细微影响。

该研究第一作者、亚利桑那大学植物科学学院植物微生物生态学家阿隆索·法维拉（Alonso Favela）表示，研究的核心在于利用作物中的野生遗传变异，使现代农业系统更具可持续性。研究团队将关注点放在地下过程，探索可能提升氮利用效率的祖先性状，并指出若能重新引入相关性状，或可在降低氮肥投入的同时减少氮向周边环境的流失。

根际微生物与氮循环

氮是作物生长所必需的元素，但植物通常只能吸收施用氮肥的大约一半。其余部分往往在土壤微生物作用下转化为更易进入环境的形态，可能以氮氧化物等气体形式释放到大气中，或以可溶形态渗入附近溪流及地下水系统。

研究指出，这些关键微生物过程主要发生在根际区域。法维拉表示，其研究对象之一为硝化菌，这类微生物在农业田地中较为活跃，因为田间氮源被持续补充。在自然环境中，植物进化出与这些“氮代谢”微生物竞争可用氮的能力；而现代玉米在氮肥充裕条件下培育，相关竞争能力相对减弱。

法维拉称，通过重新引入部分野生玉米性状，研究团队观察到与硝化相关微生物的关系发生变化：施用氮肥中不贡献产量的微生物所占比例减少，更多氮被植物吸收并留在田间。

田间试验与遗传定位

为评估野生玉米遗传的根系性状如何影响土壤微生物群落，研究团队在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校作物科学研究与教育中心开展田间试验。在统一耕作与肥力条件下，研究人员种植了模型玉米B73、野生玉米、玉米—野生玉米近等基因系及其杂交种。

在整个生长季，团队持续采集根际土壤样本，分析氮循环相关微生物的活性与组成，并结合遗传数据绘制野生玉米基因组中与土壤相互作用相关的区域。

研究团队识别出若干关键基因片段，这些片段富含与次级代谢相关的基因，提示植物化学成分变化可能参与重塑根际微生物群功能。亚利桑那大学的后续研究进一步指向一种机制：根系释放的化学信号，即根系分泌物，驱动了微生物群变化。研究还发现，携带野生玉米性状的玉米根系向土壤释放的代谢物混合物与现代玉米存在差异。

推广路径与后续方向

研究团队表示，下一步将探索如何将相关发现应用于商业农业。其中一种路径是将特定野生玉米基因导入优良玉米品种，以在不降低产量的情况下重新引入可塑造微生物群的植物性状。法维拉称，研究结果部分表明，这类性状有望在较低肥料条件下改善植物生长与氮利用效率。

另一种路径是围绕根系分泌物中的天然化合物开发土壤改良剂，以更有针对性的有机方式减少氮损失。法维拉表示，相关工作最终指向扩大可用生物多样性，并利用野生品种所保留的特性改进现代农业系统。