東北地理所在Nature Communications發(fā)文解析野生稻根際微生物如何助力黑土地綠色農(nóng)業(yè)
在全球糧食生產(chǎn)大幅提升的今天，農(nóng)業(yè)對(duì)化肥和農(nóng)藥的依賴性也在不斷增加。水稻作為全球最重要的糧食作物之一，其馴化過(guò)程雖然提高了產(chǎn)量和品質(zhì)，但也可能帶來(lái)了未曾預(yù)料的環(huán)境影響。近年來(lái)，黑土地正面臨“量減質(zhì)退”與糧食產(chǎn)能協(xié)同提升的雙重挑戰(zhàn)，解析作物馴化對(duì)根際微生物組的調(diào)控機(jī)制，既是破解“高投入-低效率-高排放”農(nóng)業(yè)困局的關(guān)鍵突破口，更是實(shí)現(xiàn)“藏糧于地、藏糧于技”國(guó)家戰(zhàn)略的迫切需求。
針對(duì)以上問(wèn)題和需求，東北地理所土壤微生物與養(yǎng)分循環(huán)學(xué)科組田春杰團(tuán)隊(duì)服務(wù)于黑土地土壤生物定向培育目標(biāo)，聚焦水稻馴化過(guò)程，探討了根際微生物氮循環(huán)功能特征的變化及其應(yīng)用潛力，攻克了黑土微生物健康定向培育協(xié)同產(chǎn)能提升的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
通過(guò)宏基因組學(xué)和實(shí)時(shí)PCR技術(shù)，分析了野生稻與栽培稻根際微生物群的功能差異。研究發(fā)現(xiàn)，野生稻根際微生物組固氮基因豐度顯著高于栽培稻。為進(jìn)一步驗(yàn)證，將野生稻和栽培稻的根際微生物懸液移植到土壤中，發(fā)現(xiàn)無(wú)論種植野生稻還是栽培稻，野生稻根際微生物懸液培育的土壤固氮酶活性都是最高的，揭示了野生稻根際微生物能夠高效利用空氣中氮?dú)獾臐摿Γ瑴p少對(duì)化肥的依賴。
圖1 野生稻與栽培稻根際微生物組氮循環(huán)功能解析模型
栽培稻的根際微生物組中與氧化亞氮(N?O)生成相關(guān)基因數(shù)量顯著增加。通過(guò)田間測(cè)量N?O排放量發(fā)現(xiàn)，栽培稻土壤中的N?O排放量顯著高于野生稻。為解析水稻馴化對(duì)根際氮循環(huán)微生物組的調(diào)控機(jī)制，研究人員系統(tǒng)比較野生稻和栽培稻根系代謝組，發(fā)現(xiàn)野生稻根系分泌物與微生物固氮基因豐度呈正相關(guān)。進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)表明，向黑土中添加野生稻根系代謝物，可以顯著增加土壤微生物固氮基因豐度和固氮酶活性。
圖2 野生稻與栽培稻根系分泌物驅(qū)動(dòng)土壤固氮功能重塑 的動(dòng)態(tài)調(diào)控
本研究系統(tǒng)揭示了水稻馴化對(duì)根際微生物群功能和環(huán)境影響的深遠(yuǎn)意義。研究發(fā)現(xiàn)，栽培稻不僅減少了固氮微生物的數(shù)量，還增加了溫室氣體N?O的排放。這一發(fā)現(xiàn)強(qiáng)調(diào)了作物馴化過(guò)程中存在的環(huán)境代價(jià)，為未來(lái)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了重要的科學(xué)依據(jù)。通過(guò)闡明作物馴化對(duì)微生物群的影響，我們可以設(shè)計(jì)更環(huán)保的農(nóng)業(yè)實(shí)踐，減少對(duì)化肥的依賴，從而降低農(nóng)業(yè)活動(dòng)對(duì)氣候變化的負(fù)面影響。這些研究結(jié)果為高效挖掘野生稻微生物資源，實(shí)現(xiàn)化肥替代并降低溫室氣體排放提供了有效解決方案，突破了傳統(tǒng)“以肥養(yǎng)地”模式，提出了“微生物調(diào)控黑土自肥”的理論體系，為保障國(guó)家糧食安全提供重要科學(xué)依據(jù)。
研究成果近期在線發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊Nature Communications(影響因子14.7)。研究由常晶晶(第一作者)、田春杰研究員(通訊作者)聯(lián)合荷蘭生態(tài)研究所Eiko E. Kuramae教授等共同完成。相關(guān)研究受國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2024YFD1501003)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U22A20593. 41920104008. 32401436. 32371734)、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略重點(diǎn)研究計(jì)劃項(xiàng)目(XDA28020400)、中國(guó)江西省重大科技研發(fā)項(xiàng)目(20213AAF01001)的共同資助。該項(xiàng)研究得到了江西農(nóng)科院、復(fù)旦大學(xué)、南昌大學(xué)、吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)以及荷蘭生態(tài)研究所的合作支持。
論文信息：Chang,J.,Costa,O.Y.A.,Sun,Y. et al. Domesticated rice alters the rhizosphere microbiome,reducing nitrogen fixation and increasing nitrous oxide emissions. Nature Communications 16. 2038 (2025).
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57213-x
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