氮素是促進作物增產的最關鍵因素之一。據統計，全球每年施用氮肥超過1.2億噸，其中我國氮肥用量占全球氮肥總產量的35%，但氮肥利用率卻遠低于全球20%-30%。氮肥大量施用不僅增加農業生產成本，更導致土壤酸化、水體富營養化等環境問題。
已有研究表明，作物中某些基因控制著氮素利用效率，但這些基因如何發揮作用、對作物有何影響等機制尚不清楚，而這對于作物改良、提高氮素利用率至關重要。
近日，中科院遺傳與發育生物學研究所白洋課題組與儲成才課題組合作揭示了水稻關鍵因子“NRT1.1B”通過調控水稻根系微生物組，從而改變根際微環境，進而影響水稻秈粳亞種間的氮肥利用效率。相關成果發表于《自然-生物技術》。
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。亞洲栽培稻分為粳稻與秈稻兩個主要亞種，它們在形態、發育與生理等方面都表現出不同的特征。
此前，儲成才課題組研究發現，水稻中基因NRT1.1B的自然變異導致了秈稻比粳稻具有更高的氮肥利用能力。
“NRT1.1B編碼一個硝酸鹽轉運蛋白，同時也是植物氮的感受器，它可以調控硝酸鹽的吸收、轉運和同化等各個環節，秈稻和粳稻NRT1.1B具有一個氨基酸的差別，從而導致其具有不同的氮肥利用效率。”儲成才說。
在自然環境中，宿主植物與根系微生物群的協調是植物生長的關鍵。植物根系為微生物棲息繁衍提供一個“家”，同時微生物又“陪伴”植物的整個生命周期，幫助其吸收營養、抵抗外敵以及適應不同的脅迫環境。
土壤中的氮主要以硝酸鹽、銨和有機氮的形式存在，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系就是根系微生物組，過去限于技術手段，對水稻根系微生物組與植物互作的研究很少。”白洋告訴《中國科學報》，事實上，不僅是水稻，其他植物和根系微生物組之間互作關系研究目前還比較空白，多描述性研究，缺少原理性機制的證明。
“水稻根系微生物是否影響水稻生長？我們并不知道。”白洋說，他們希望認識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系，并確定引起根系微生物群變異的關鍵基因。這將對了解水稻根系微環境與水稻生長間的關系有重要意義。
“司令”NRT1.1B招募“精兵強菌”
為了使研究與實際水稻生長更接近，研究人員首先作了兩年多的田間實驗。
研究人員在實驗田的兩個不同區域分別種植了68個秈稻和27個粳稻品種并收集根系微生物，發現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分秈粳稻的生物標志。
“一開始，我們并不知道是基因NRT1.1B單獨影響氮利用，還是該基因改變根系微生物群后影響氮利用率。”白洋說，經分析發現，根系微生物群影響著水稻氮利用，且氮循環相關的微生物類群在水稻生長后期富集，“這暗示著可能是某些基因在調控它，關聯分析證明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成。”
NRT1.1B基因像一個“司令”，招募大量的氮循環功能強大的“精兵強菌”集結在水稻根系周圍，保障水稻生長在一個活躍的氮轉化環境中，從而表現出高效的氮肥利用效率。
研究還發現，與粳稻相比，秈稻根系富集更多與氮循環相關的微生物類群，這也可能是導致秈稻氮肥利用效率高于粳稻的重要原因之一。
建立世界首個水稻根系細菌資源庫
在田間實驗發現規律后，研究人員并未止步，而是進一步證實了這一規律。
他們利用高通量微生物分離培養和鑒定體系，成功分離培養了水稻根系70%的細菌種類，建立了世界上首個系統的水稻根系細菌資源庫。
“在實驗室的精細實驗表明，NRT1.1B基因的確能調控很多菌群，確實能幫助水稻來利用土壤中的有機氮，證實了秈稻與粳稻氮肥利用效率的差異與根系微生物組有關。”白洋說。
植物的根系微生物和動物的腸道微生物的功能有異曲同工之妙，在營養吸收利用、抗病抗逆能力等均具有重要作用。儲成才告訴《中國科學報》，“這一工作啟示了作物品種的精準設計除了要考慮植物本身的改良,還要考慮環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，中國已經先行了一步，“不過，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，是否與其他過程相關？植物如何調控細菌使其成為益生菌？以及NRT1.1B基因如何導致根系微生物組的改變？等還需要更多的研究。”
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