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招募“精兵强菌”为水稻高效“固氮”

招募“精兵强菌”为水稻高效“固氮”
研究揭示籼粳稻根系微生物组与氮肥利用效率的关系

2019年4月29日Nature Biotechnology在线发表了中国科学院遗传与发育研究所白洋和储成才研究组合作的题为“NRT1.1B is associated with root microbiota composition and nitrogen use in field-grown rice”研究论文,揭示籼粳稻根系微生物组与氮肥利用效率关系。

氮素是促进作物增产的最关键因素之一。据统计,全球每年施用氮肥超过1.2亿吨,其中我国氮肥用量占全球氮肥总产量的35%,但氮肥利用率却远低于全球20%-30%。氮肥大量施用不仅增加农业生产成本,更导致土壤酸化、水体富营养化等环境问题。

在土壤中,植物的根系除了固着植物并作为吸收水分和营养的器官以外,还是微生物聚集栖息和繁衍的场所。这些微生物及其相互关系统称为根系微生物组。这些根系微生物伴随着植物的整个生长周期,帮助植物吸收营养、抵抗病害和适应胁迫环境。亚洲栽培稻主要分为籼稻和粳稻两个亚种。相比粳稻,籼稻通常表现出更高的氮肥利用效率。已有研究表明,籼稻中的一些基因如NRT1.1B的自然变异在提高籼稻氮肥利用效率中起着非常重要的作用。然而,水稻籼粳亚种间根系微生物组成是否影响其氮肥利用效率仍不清楚。

已有研究表明,作物中某些基因控制着氮素利用效率,但这些基因如何发挥作用、对作物有何影响等机制尚不清楚,而这对于作物改良、提高氮素利用率至关重要。

中国科学院遗传与发育生物学研究所白洋课题组与储成才课题组合作,通过比较田间生长的68个籼稻和27个粳稻品种,发现籼稻和粳稻形成了截然不同的根系微生物组。籼稻根系富集的微生物组的多样性明显高于粳稻,且根系富集微生物组的特征可以作为区分籼粳稻的生物标志。有意思的是,籼稻根系比粳稻富集更多与氮循环相关的微生物类群,从而具有更加活跃的氮转化环境,这可能是导致籼稻氮肥利用效率高于粳稻的重要原因之一。通过遗传学实验发现,NRT1.1B的缺失和籼粳间的自然变异显着影响水稻根系微生物组,而这些微生物大部分具有与氮循环相关的功能。因此,水稻通过NRT1.1B调控根系具有氮转化能力的微生物,从而改变根际微环境,进而影响籼粳稻田间氮肥利用效率。

近日,中科院遗传与发育生物学研究所白洋课题组与储成才课题组合作揭示了水稻关键因子“NRT1.1B”通过调控水稻根系微生物组,从而改变根际微环境,进而影响水稻籼粳亚种间的氮肥利用效率。相关成果发表于《自然-生物技术》。

研究者通过改进后的高通量微生物分离培养和鉴定体系,成功分离培养了水稻根系70%的细菌种类,建立了首个系统的水稻根系细菌资源库。利用水稻根系细菌资源库人工重组了籼稻和粳稻特异富集菌群,发现籼稻富集菌群比粳稻富集菌群能够更好地促进水稻在有机氮条件下的生长,进一步证实了籼稻与粳稻氮肥利用效率的差异与根系微生物组有关。

根系微生物与水稻的“互助”

该项研究不仅揭示了水稻亚种间根系微生物组与其氮肥利用效率的关系,证明了NRT1.1B在调控水稻根系微生物组的关键作用;更为重要的是,建立了第一个水稻根系可培养的细菌资源库,为研究根系微生物组与水稻互作及功能奠定了重要基础,同时也为应用有益微生物、减少氮肥的施用奠定了基础。

水稻是世界上最重要的粮食作物之一,世界上约90%的水稻在亚洲种植消费。亚洲栽培稻分为粳稻与籼稻两个主要亚种,它们在形态、发育与生理等方面都表现出不同的特征。

白洋组博士后张婧赢、工程师刘永鑫、博士生张娜、储成才组副研究员胡斌和华大基因的金桃为共同第一作者,中国科学院遗传与发育生物学研究所的储成才研究员和白洋研究员为共同通讯作者。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项、前沿科学重点研究项目、国家自然科学基金面上项目和中国科学院微生物组项目的支持。

此前,储成才课题组研究发现,水稻中基因NRT1.1B的自然变异导致了籼稻比粳稻具有更高的氮肥利用能力。

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“NRT1.1B编码一个硝酸盐转运蛋白,同时也是植物氮的感受器,它可以调控硝酸盐的吸收、转运和同化等各个环节,籼稻和粳稻NRT1.1B具有一个氨基酸的差别,从而导致其具有不同的氮肥利用效率。”储成才说。

在自然环境中,宿主植物与根系微生物群的协调是植物生长的关键。植物根系为微生物栖息繁衍提供一个“家”,同时微生物又“陪伴”植物的整个生命周期,帮助其吸收营养、抵抗外敌以及适应不同的胁迫环境。

土壤中的氮主要以硝酸盐、铵和有机氮的形式存在,而土壤中的微生物群落可以代谢不同形式的氮,这可能影响植物根系吸收氮的效率。

“根系微生物群落及其相互关系就是根系微生物组,过去限于技术手段,对水稻根系微生物组与植物互作的研究很少。”白洋告诉《中国科学报》,事实上,不仅是水稻,其他植物和根系微生物组之间互作关系研究目前还比较空白,多描述性研究,缺少原理性机制的证明。

“水稻根系微生物是否影响水稻生长?我们并不知道。”白洋说,他们希望认识水稻籼粳亚种根系微生物群变异与特定植物性状之间的关系,并确定引起根系微生物群变异的关键基因。这将对了解水稻根系微环境与水稻生长间的关系有重要意义。

“司令”NRT1.1B招募“精兵强菌”

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