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　　氮素是促進作物增產(chǎn)的最關(guān)鍵因素之一。據(jù)統(tǒng)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(chǎn)量的35%，但氮肥利用率卻低于全球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、水體富營養(yǎng)化等環(huán)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(fā)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(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成才課題組合作，揭示了水稻關(guān)鍵因子“NRT1.1B”通過調(diào)控水稻根系微生物組，從而改變根際微環(huán)境，進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。亞洲栽培稻分為粳稻與秈稻兩個主要亞種，它們在形態(tài)、發(fā)育與生理等方面都表現(xiàn)出不同特征。
　　此前，儲成才課題組研究發(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編碼一個硝酸鹽轉(zhuǎn)運蛋白，同時也是植物氮的感受器，它可以調(diào)控硝酸鹽的吸收、轉(zhuǎn)運和同化等各個環(huán)節(jié)，秈稻和粳稻NRT1.1B有一個氨基酸的差別，從而導(dǎo)致其具有不同的氮肥利用效率?！眱Τ刹耪f。
　　在自然環(huán)境中，宿主植物與根系微生物群的協(xié)調(diào)是植物生長的關(guān)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(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，過去限于技術(shù)手段，對水稻根系微生物組與植物互作的研究很少?！卑籽蟾嬖V《中國科學(xué)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(guān)系的研究目前仍有較多空白，多描述性研究而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(rèn)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(guān)系，并確定引起根系微生物群變異的關(guān)鍵基因。這將對了解水稻根系微環(huán)境與水稻生長間的關(guān)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，研究人員首先做了兩年多的田間實驗。
　　研究人員在實驗田的兩個不同區(qū)域分別種植了68個秈稻和27個粳稻品種，并收集了根系微生物，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?！卑籽笳f，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，根系微生物群影響著水稻氮利用，且與氮循環(huán)相關(guān)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(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的構(gòu)成?！?br/>　　NRT1.1B基因像一個“司令”，招募大量氮循環(huán)功能強大的“精兵強菌”集結(jié)在水稻根系周圍，保障水稻生長在一個活躍的氮轉(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(xì)菌資源庫
　　在田間實驗發(fā)現(xiàn)規(guī)律后，研究人員并未止步，而是進一步證實了這一規(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，建立了世界上首個系統(tǒng)的水稻根系細(xì)菌資源庫。
　　“在實驗室的精細(xì)實驗表明，NRT1.1B基因的確能調(diào)控很多菌群，幫助水稻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(guān)?！卑籽笳f。
　　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，對營養(yǎng)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(xué)報》，“這一工作啟示了作物品種的精準(zhǔn)設(shè)計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，目前對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(jīng)先行了一步。“不過，這只是非常初步的探索，根系微生物除了與植物氮利用相關(guān)，是否還與其他過程相關(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？這些問題還需要更多的研究?！?br/>　　（原載于《中國科學(xué)報》 2019-05-14 第1版 要聞)