简介

在地球表面之下生活着种类繁多的生物微生物包括许多种类的细菌和真菌。这些生物在形状和大小上各不相同，大多数甚至没有头发那么粗。我们无法用肉眼看到土壤微生物，但它们在我们的生活中发挥着重要作用:它们为我们种植的植物提供食物。换句话说，土壤微生物对我们生活在这个星球上至关重要。土壤微生物已经进化出许多不同的方式来帮助植物生长，比如分解岩石，回收死物质，以及与植物建立合作关系。让我们来看看这些微小的生物是如何完成这些任务的。

岩石的小味道

植物不能直接在岩石上生存，因为岩石中的营养物质对它们来说是不可用的。植物需要的营养物质存在于土壤中，包括铁和钾等元素，或磷酸盐或硝酸盐等小分子元素。这些营养物质是植物生长所需的基石，就像我们吃的食物是为我们的身体提供燃料一样。

在进化之初，植物仅以藻类的形式存在于海洋中。至少在4.2亿年前，他们开始在陆地上定居[1］．当时，陆地刚刚从火山活动中形成，这意味着它主要是岩石，没有土壤来帮助植物生长。幸运的是，陆地上已经有了微生物，这些微生物有能力从岩石中获取营养，这一过程被称为岩石风化．这些微生物为新的陆生植物提供了以前困在岩石中的营养物质，使这些植物在陆地上茁壮成长，并帮助形成土壤，供未来的植物生长!

微生物是如何使岩石风化的?它们制造特殊的蛋白质和酸，通过化学反应影响岩石的第一层。这些反应会导致岩石中微小成分的释放，这些成分可以被微生物和植物吸收(图1)．例如，细菌枯草芽孢杆菌能以易于植物吸收的形式从岩石中释放锰[2］．真菌Talaromyces flavus这是另一个例子。这种生物利用酸改变岩石并提取镁和铁。真菌有长长的管状结构，叫做菌丝它们用来生长和吸收营养。Talaromyces flavus利用菌丝顶端的压力打碎岩石，到达有趣的矿物[3.］．这种真菌生长在小裂缝中，然后推动裂缝扩大。真菌和细菌也会产生小分子，可以结合铁，帮助促进岩石风化。许多类型的微生物可以改变岩石，这些先锋物种对土壤的形成和复杂的陆地生态系统的最终创造至关重要。

微生物清道夫:土壤的守护者

在18世纪，法国化学家安托万·拉瓦锡(Antoine Lavoisier)制定了质量守恒定律，如下所示:“没有东西丢失，没有东西被创造，一切都被改变。”这一原理也适用于活的有机体，并被称为微生物腐生物(源自希腊语sapros:腐烂和生物型:生活)。腐生物可以通过分解植物碎片等死亡物质来回收元素，然后吸收由此产生的营养物质[4］．这个过程可以让腐菌获得其他方法找不到的营养物质，比如糖。植物是利用太阳能运转的高效制糖厂。它们结合二氧化碳分子，利用光作为能量来源，这个过程被称为光合作用．当植物死亡时，它们产生的糖可以被其他生物再次利用。随着时间的推移，越来越多的枯死植物堆积在地面上，并被腐菌循环利用形成土壤。

腐生物包括惊人的真菌和细菌种类的多样性，可以生活在广泛的地方。在农田土壤中，腐菌对于将堆肥转化为作物可利用的营养物质至关重要(图2)．如果没有微生物腐烂菌，堆肥就不是植物的养料，因为植物不能直接从死亡物质中收集营养物质。如果没有腐菌，作物就不能很好地生长，粮食产量就会减少。

当极端天气事件发生时，例如由气候变化引起的干旱，土壤腐菌可能会受到影响，可能无法有效地回收死物质。但如果腐生物种群足够多样化，一些物种就不会像其他物种那样受到极端天气的影响，并将继续降解死亡物质。因此，对土壤来说，维持腐菌种群的多样性是很重要的，这样物质就可以被分解，以供养其他生物，并保持生态系统中的营养物质流动，支持我们生存所需的作物。

隐根婚姻

紧挨着植物根系的土壤区域是微生物多样性的热点。一些细菌和真菌物种在根部找到庇护，通过光合作用获得糖，以换取为植物提供营养和其他服务。这叫做共生:双方都受益的关系，主要是通过交换营养物质(图3)．

豆类是一组包括大豆、花生和豌豆等作物的植物。豆科植物可以与该属的细菌建立共生关系根瘤菌．豆科植物的根表面会产生一个新的器官供细菌生存，叫做结节．在结节,根瘤菌繁殖和保护免受环境压力。细菌还会获得一些植物糖，它们利用这些糖来生长，并通过化学过程将空气中的氮转化为氨[5］．氨是植物可以利用的氮的来源。氮对生物体很重要，因为它是许多生物分子的基本成分，如DNA和蛋白质。因此，植物从根结节中细菌提供的氮中获益。如果根瘤菌植物存在于土壤中并发生结瘤，农民不需要像往常一样以肥料的形式向土壤中添加那么多的额外氮。

另一种在生态系统中常见的共生关系是在植物根和真菌之间建立的。由这种类型的共生形成的结构称为菌根(源自希腊语mykē年代:真菌和意思是:根)。超过80%的陆地植物参与了这种共生关系[6］．菌根的多样性和复杂性令人着迷，关于它们的新事物经常被发现。基本上，土壤中的养分通过真菌菌丝输送到植物根部。菌丝可以探索更大体积的土壤，可以到达比植物根更遥远的土壤区域，这增加了植物可利用的养分量。如果没有菌根，植物就不能从土壤中收集到那么多的养分，也就不能很好地生长。作为回报，植物与共生真菌分享它们的糖。如前所述，一些菌根真菌还可以风化岩石，为寄主植物提供磷等营养物质。在农田中，菌根化对于增加不使用合成肥料的粮食产量至关重要。

你学到了什么?

所以，现在你知道了土壤微生物在很多方面都对植物的喂养至关重要。尽管研究人员已经了解了植物和微生物之间重要的有益关系，但仍有许多问题没有得到解答，例如，“细菌和真菌总是土壤中主要的植物饲料吗?”“哪种微生物对促进植物生长和健康最好?”以及“气候变化将如何影响土壤微生物?”这些关系对于构建能够维持我们农业的土壤种类至关重要。此外，微生物群落需要多样化，以应对土壤扰动，例如由气候变化引起的土壤扰动。对于科学家来说，更好地理解微生物喂养植物的复杂性非常重要，这样我们才能面对农业方面的挑战。

术语表

微生物：↑微小的生物，如细菌或真菌，也称为微生物。一些微生物会导致植物疾病，但其他的是有益的。

岩石风化：↑岩石的机械和化学分解。

菌丝：↑真菌的长、分枝、管状结构，被真菌用来生长和寻找营养物质。

腐生物：↑任何以死亡物质为食的生物，尤指真菌或细菌

光合作用：↑植物利用阳光将二氧化碳转化为糖的过程。

共生：↑共生:两种不同生物之间的密切关系，对双方都有利

结节：↑豆科植物根部的肿胀，其中含有能从空气中收集氮并将其提供给植物的细菌

菌根：↑真菌与植物的结合，真菌生活在植物根的内部或外部，形成一种共生关系

利益冲突

作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这些关系可能被解释为潜在的利益冲突。

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参考文献

[1]↑彭尼斯，E. 2018。陆地植物的出现比我们想象的要早，而且可能对动物的进化有更大的影响。科学杂志．doi: 10.1126 / science.aat3642

[２]↑samuel, T.， Bryce, C.， Landenmark, H.， Marie-Loudon, C.， Nicholson, N.， Stevens, A. H.等2020。自然环境中矿物和岩石的微生物风化作用。Biogeochem。生态循环。司机围住。影响251:59 - 79。doi: 10.1007 / 978 - 94 - 009 - 3071 - 1 _3

［3］↑汉德，E. 2016。吃铁的真菌用酸和细胞刀分解岩石。科学杂志．doi: 10.1126 / science.aaf4184

[4]↑Jacoby, R.， Peukert, M.， Succurro, A.， Koprivova, A.和Kopriva, S. 2017。土壤微生物在植物矿质营养中的作用——现有知识和未来发展方向。前面。植物科学．8:1617。doi: 10.3389 / fpls.2017.01617

［5］↑瓦格纳，2011年。生物固氮。Nat,建造。"．3:15。

[6]↑邦凡特，《体裁》，A. 2010。菌根共生中有益的植物-真菌相互作用机制。Nat。Commun．1:48。doi: 10.1038 / ncomms1046