氮素是促進(jìn)作物增產(chǎn)的最關(guān)鍵因素之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年施用氮肥超過(guò)1.2億噸，其中我國(guó)氮肥用量占全球氮肥總產(chǎn)量的35%，但氮肥利用率卻遠(yuǎn)低于全球20%-30%。氮肥大量施用不僅增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，更導(dǎo)致土壤酸化、水體富營(yíng)養(yǎng)化等環(huán)境問(wèn)題。

已有研究表明，作物中某些基因控制著氮素利用效率，但這些基因如何發(fā)揮作用、對(duì)作物有何影響等機(jī)制尚不清楚，而這對(duì)于作物改良、提高氮素利用率至關(guān)重要。

近日，中科院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所白洋課題組與儲(chǔ)成才課題組合作揭示了水稻關(guān)鍵因子“NRT1.1B”通過(guò)調(diào)控水稻根系微生物組，從而改變根際微環(huán)境，進(jìn)而影響水稻秈粳亞種間的氮肥利用效率。相關(guān)成果發(fā)表于《自然-生物技術(shù)》。

根系微生物與水稻的“互助”

水稻是世界上最重要的糧食作物之一，世界上約90%的水稻在亞洲種植消費(fèi)。亞洲栽培稻分為粳稻與秈稻兩個(gè)主要亞種，它們?cè)谛螒B(tài)、發(fā)育與生理等方面都表現(xiàn)出不同的特征。

此前，儲(chǔ)成才課題組研究發(fā)現(xiàn)，水稻中基因NRT1.1B的自然變異導(dǎo)致了秈稻比粳稻具有更高的氮肥利用能力。

“NRT1.1B編碼一個(gè)硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，同時(shí)也是植物氮的感受器，它可以調(diào)控硝酸鹽的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和同化等各個(gè)環(huán)節(jié)，秈稻和粳稻NRT1.1B具有一個(gè)氨基酸的差別，從而導(dǎo)致其具有不同的氮肥利用效率。”儲(chǔ)成才說(shuō)。

在自然環(huán)境中，宿主植物與根系微生物群的協(xié)調(diào)是植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵。植物根系為微生物棲息繁衍提供一個(gè)“家”，同時(shí)微生物又“陪伴”植物的整個(gè)生命周期，幫助其吸收營(yíng)養(yǎng)、抵抗外敵以及適應(yīng)不同的脅迫環(huán)境。

土壤中的氮主要以硝酸鹽、銨和有機(jī)氮的形式存在，而土壤中的微生物群落可以代謝不同形式的氮，這可能影響植物根系吸收氮的效率。

“根系微生物群落及其相互關(guān)系就是根系微生物組，過(guò)去限于技術(shù)手段，對(duì)水稻根系微生物組與植物互作的研究很少。”白洋告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，事實(shí)上，不僅是水稻，其他植物和根系微生物組之間互作關(guān)系研究目前還比較空白，多描述性研究，缺少原理性機(jī)制的證明。

“水稻根系微生物是否影響水稻生長(zhǎng)？我們并不知道。”白洋說(shuō)，他們希望認(rèn)識(shí)水稻秈粳亞種根系微生物群變異與特定植物性狀之間的關(guān)系，并確定引起根系微生物群變異的關(guān)鍵基因。這將對(duì)了解水稻根系微環(huán)境與水稻生長(zhǎng)間的關(guān)系有重要意義。

“司令”NRT1.1B招募“精兵強(qiáng)菌”

為了使研究與實(shí)際水稻生長(zhǎng)更接近，研究人員首先作了兩年多的田間實(shí)驗(yàn)。

研究人員在實(shí)驗(yàn)田的兩個(gè)不同區(qū)域分別種植了68個(gè)秈稻和27個(gè)粳稻品種并收集根系微生物，發(fā)現(xiàn)秈稻和粳稻根系微生物的組成存在明顯差異，且秈稻根系富集的微生物組的多樣性明顯高于粳稻，而根系富集微生物組差異特征可作為區(qū)分秈粳稻的生物標(biāo)志。

“一開(kāi)始，我們并不知道是基因NRT1.1B單獨(dú)影響氮利用，還是該基因改變根系微生物群后影響氮利用率。”白洋說(shuō)，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，根系微生物群影響著水稻氮利用，且氮循環(huán)相關(guān)的微生物類群在水稻生長(zhǎng)后期富集，“這暗示著可能是某些基因在調(diào)控它，關(guān)聯(lián)分析證明NRT1.1B基因及其在秈粳稻中的自然變異顯著影響了水稻根系微生物組構(gòu)成。”

NRT1.1B基因像一個(gè)“司令”，招募大量的氮循環(huán)功能強(qiáng)大的“精兵強(qiáng)菌”集結(jié)在水稻根系周圍，保障水稻生長(zhǎng)在一個(gè)活躍的氮轉(zhuǎn)化環(huán)境中，從而表現(xiàn)出高效的氮肥利用效率。

研究還發(fā)現(xiàn)，與粳稻相比，秈稻根系富集更多與氮循環(huán)相關(guān)的微生物類群，這也可能是導(dǎo)致秈稻氮肥利用效率高于粳稻的重要原因之一。

建立世界首個(gè)水稻根系細(xì)菌資源庫(kù)

在田間實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)規(guī)律后，研究人員并未止步，而是進(jìn)一步證實(shí)了這一規(guī)律。

他們利用高通量微生物分離培養(yǎng)和鑒定體系，成功分離培養(yǎng)了水稻根系70%的細(xì)菌種類，建立了世界上首個(gè)系統(tǒng)的水稻根系細(xì)菌資源庫(kù)。

“在實(shí)驗(yàn)室的精細(xì)實(shí)驗(yàn)表明，NRT1.1B基因的確能調(diào)控很多菌群，確實(shí)能幫助水稻來(lái)利用土壤中的有機(jī)氮，證實(shí)了秈稻與粳稻氮肥利用效率的差異與根系微生物組有關(guān)。”白洋說(shuō)。

植物的根系微生物和動(dòng)物的腸道微生物的功能有異曲同工之妙，在營(yíng)養(yǎng)吸收利用、抗病抗逆能力等均具有重要作用。儲(chǔ)成才告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“這一工作啟示了作物品種的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)除了要考慮植物本身的改良,還要考慮環(huán)境微生物的互作影響，這大大地拓展了育種思路。”

白洋表示，目前全世界在植物根系微生物組與植物氮高效的研究還處于空白，中國(guó)已經(jīng)先行了一步，“不過(guò)，這只是非常初步的探索，比如根系微生物除了與植物氮利用相關(guān)，是否與其他過(guò)程相關(guān)？植物如何調(diào)控細(xì)菌使其成為益生菌？以及NRT1.1B基因如何導(dǎo)致根系微生物組的改變？等還需要更多的研究。”

相關(guān)論文信息：DOI:10.1038/s41587-019-0104-4