在台灣大家聽到高粱，大部分的人只會想到高粱酒。不過，高粱 （Sorghum bicolor） 其實是全球重要的糧食、飼料及生質能作物喔。在穀物中，高粱的產量是第五名，前四名是玉米、小麥、稻、及大麥。
因此，研究團隊想知道，會分泌黏液的高粱品系，是不是也有固氮菌門客呢？如果是，是否也意味著，高粱也可以透過門客的幫助取得寶貴的氮，從而減少肥料的需求？
研究團隊從 ICRISAT （International Crops Research Institute for the Semi-Arid Tropics） 選取 14 個高粱品系，並在美國威斯康辛大學和佛羅里達大學的田間進行測試。
他們測量了氣生根的發育（節數、根徑、根數）以及黏液產量。為了了解環境因子所造成的影響，他們也在溫室條件下調控濕度（高濕度 75%、低濕度 30%）以測試其對氣生根發育的影響。
他們分析了黏液的成分，主要關注碳水化合物。另外，他們也透過代謝體分析 （metabolomics） 來研究不同品系高粱根部黏液的代謝物差異。
為了了解黏液中的微生物群落，研究團隊分析黏液中的微生物的16S rRNA 基因。他們也嘗試著分離並鑑定固氮菌，並測試其固氮活性。
為了通盤了解黏液中的固氮菌，研究團隊還進行了生物固氮評估，包括乙炔還原分析 （Acetylene Reduction Assay, ARA）以及¹⁵N 氣體標記法 （¹⁵N2 gas feeding assay）。最後，他們還計算植物各個氮素來源的百分比 （%Ndfa）。
研究團隊發現，不同高粱品系在氣生根的發育上有顯著差異。有些品系（如 IS10757, IS11026, IS15170, IS25089）產生較多氣生根，且根徑較粗。他們也注意到，黏液產量與氣生根的粗細呈正相關。而高濕度環境的確能促進氣生根的發育與黏液分泌。
所以，黏液成分有什麼呢？研究團隊發現，與 Sierra Mixe 玉米的黏液相似，高粱黏液的主要成分也是多醣，另外還有半乳糖 （galactose）, 阿拉伯糖 （arabinose）, 葡萄糖醛酸 （glucuronic acid）, 甘露糖 （mannose）等單醣。但是，與玉米的黏液不同的是，高粱的黏液中岩藻糖 （fucose） 的含量較低。這個發現意味著，高粱的黏液的微生物群落組成可能會跟玉米黏液的微生物不完全相同。
分析高粱黏液中的微生物組成，研究團隊發現主要包括了變形菌門 （Pseudomonadota, 原 Proteobacteria）、厚壁菌門 （Bacillota）、擬桿菌門 （Bacteroidota）。而且，微生物群落的組成與地點（威斯康辛 vs. 佛羅里達）有關。
研究團隊從高粱黏液中分離出 103 株不同的固氮菌。這些菌大部分屬於Agrobacterium （農桿菌屬）、Bacillus （芽孢桿菌屬）、Pseudomonas （假單胞菌屬）以及Klebsiella （克雷伯氏菌屬）；而其中有四隻菌的固氮活性相當高，它們是Agrobacterium pusense（農桿菌屬）、Bacillus amyloliquefaciens（芽孢桿菌屬）、Pseudomonas turukhanskensis（假單胞菌屬）、Microbacterium aerolatum（微桿菌屬）。
透過進行乙炔還原分析 （ARA） 以及¹⁵N2 氣體標記實驗，他們發現的確有些固氮菌可以在黏液環境中進行固氮，且高粱氣生根也能吸收。研究團隊以¹⁵N 稀釋法測定後發現，氣生根發達的高粱品系 （如IS23992） 可透過固氮菌獲得 43% 的氮素；不過，低氣生根品系 （如IS24453） 獲得的氮素就少得多了。
所以，有些高粱品系的確能透過氣生根黏液與固氮菌共生，並獲取氮素。也就是說，如果種植這類的品系，可以用比較少的化肥。
另外，他們發現高濕度有助於氣生根的發育，這意味著在熱帶與亞熱帶地區種植這些高粱，應該會需要更少的化肥。
未來可以透過常規育種來發展能固氮的高粱品系，如此一來可以降低化肥的使用量。另外，如甘蔗、小米等近緣作物是否也有類似的特性呢？如果有，當然也可以來培育低化肥需求的品系囉！這就有待未來的研究了。
透過這個研究，我們知道有些高粱品系能夠透過氣生根與固氮菌共生，提高植物的氮素供應，達到減少合成氮肥使用、促進永續農業的目標。希望未來可以在其他作物也有類似的發現！
參考文獻：
Venado, R. E., Wilker, J., Pankievicz, V. C. S., Infante, V., MacIntyre, A., Wolf, E. S. A., Vela, S., Robbins, F., Fernandes-Júnior, P. I., Vermerris, W., & Ané, J.-M. (2025). Mucilage produced by aerial roots hosts diazotrophs that provide nitrogen in Sorghum bicolor. PLOS Biology, 23(3), e3003037. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3003037
