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招募“精兵强菌”为水稻高效“固氮”

2019-10-06 10:34
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。

国际顶尖学术期刊《自然—遗传学》近日在线发表了我国学者的一项重大突破——中科院遗传发育所储成才团队从籼稻中克隆出高氮利用效率基因NRT1.1B,将其导入粳稻品种,田间试验结果表明,这一改良明显提高了粳稻的氮肥利用效率和产量。此项成果被《自然—遗传学》期刊评委高度评价为“一个伟大的发现”。 氮素是促进作物增产的最关键因素之一。但氮肥的大量施用不仅增加生产成本,更会导致气候变化、土壤酸化及水体富营养化等环境灾难。据估计,仅欧盟每年用于治理氮污染的费用在700亿至3200亿欧元之间。另一方面,不断增长的人口对世界粮食产量提出了更大需求。因此,如何在减少氮肥施用的同时提高农作物产量,始终是困扰科学工作者的难题。而培育高氮肥利用效率的作物新品种,正是解决这一系列问题的关键。 水稻是世界上最重要的粮食作物之一,粳稻和籼稻是亚洲栽培稻的两个主要亚种,它们在形态、发育与生理等方面都表现出不同的特征。粳稻由于较强的低温耐受性、更好的食味品质,种植面积逐年扩大。然而,粳稻的氮肥利用效率比籼稻低,成为限制其种植面积扩大的重要瓶颈。 植物主要以铵态氮和硝态氮为主要氮源。中科院遗传发育所储成才研究员领导的团队研究表明,籼稻品种利用硝酸盐的能力显着高于粳稻品种。他们通过图位克隆技术从籼稻中克隆出高氮利用效率基因NRT1.1B。NRT1.1B编码一个硝酸盐转运蛋白,在籼粳稻间只有一个氨基酸的差别,且籼稻与粳稻呈现出显着的分化。各种证据表明,籼稻型具有更高的硝酸盐吸收及转运活性,籼稻中的硝酸盐同化过程的关键基因也被显着上调,这导致籼稻具有更高的氮肥利用能力。 研究结果表明,NRT1.1B中一个碱基的自然变异是导致粳稻与籼稻间氮肥利用效率差异的重要原因。他们将籼稻型NRT1.1B导入粳稻品种,在北京、上海、长沙三个试验点进行田间实验。实验结果表明,含有籼稻型NRT1.1B的粳稻品种在一半施肥条件下,与对照组相比增产30%至33%,氮肥利用效率提高30%;在正常施氮条件下,增产8%至10%,氮肥利用效率提高约10%。这一研究结果表明,NRT1.1B在粳稻氮肥利用效率改良上具有巨大应用价值。 该论文的第一作者、储成才课题组助理研究员胡斌博士说,该项研究不仅揭示了水稻亚种间氮利用效率差异的分子机制,更为重要的是,它为我国科学家提出的“分子模块设计育种”和“绿色超级稻”的培育,提供了一个重要的分子模块。 [责任编辑:liangliang]

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(Oryza sativa L.)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。

“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”

为了使研究与实际水稻生长更接近,研究人员首先作了两年多的田间实验。

研究人员在实验田的两个不同区域分别种植了68个籼稻和27个粳稻品种并收集根系微生物,发现籼稻和粳稻根系微生物的组成存在明显差异,且籼稻根系富集的微生物组的多样性明显高于粳稻,而根系富集微生物组差异特征可作为区分籼粳稻的生物标志。

“一开始,我们并不知道是基因NRT1.1B单独影响氮利用,还是该基因改变根系微生物群后影响氮利用率。”白洋说,经分析发现,根系微生物群影响着水稻氮利用,且氮循环相关的微生物类群在水稻生长后期富集,“这暗示着可能是某些基因在调控它,关联分析证明NRT1.1B基因及其在籼粳稻中的自然变异显著影响了水稻根系微生物组构成。”

NRT1.1B基因像一个“司令”,招募大量的氮循环功能强大的“精兵强菌”集结在水稻根系周围,保障水稻生长在一个活跃的氮转化环境中,从而表现出高效的氮肥利用效率。

研究还发现,与粳稻相比,籼稻根系富集更多与氮循环相关的微生物类群,这也可能是导致籼稻氮肥利用效率高于粳稻的重要原因之一。

建立世界首个水稻根系细菌资源库

在田间实验发现规律后,研究人员并未止步,而是进一步证实了这一规律。

他们利用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,建立了世界上首个系统的水稻根系细菌资源库。

“在实验室的精细实验表明,NRT1.1B基因的确能调控很多菌群,确实能帮助水稻来利用土壤中的有机氮,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。”白洋说。

植物的根系微生物和动物的肠道微生物的功能有异曲同工之妙,在营养吸收利用、抗病抗逆能力等均具有重要作用。储成才告诉《中国科学报》,“这一工作启示了作物品种的精准设计除了要考虑植物本身的改良,还要考虑环境微生物的互作影响,这大大地拓展了育种思路。”

白洋表示,目前全世界在植物根系微生物组与植物氮高效的研究还处于空白,中国已经先行了一步,“不过,这只是非常初步的探索,比如根系微生物除了与植物氮利用相关,是否与其他过程相关?植物如何调控细菌使其成为益生菌?以及NRT1.1B基因如何导致根系微生物组的改变?等还需要更多的研究。”

相关论文信息:DOI:10.1038/s41587-019-0104-4

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