遺傳發育所白洋團隊揭示水稻氮素利用效率與根系微生物

　　亞洲栽培稻(Oryza sativa L.)主要分為秈稻和粳稻兩個亞種。相比粳稻，秈稻通常表現出更高的氮肥利用效率。已有研究表明，秈稻中的一些基因如NRT1.1B的自然變異在提高秈稻氮肥利用效率中起著非常重要的作用。然而，水稻秈粳亞種間根系微生物組成是否影響其氮肥利用效率仍不清楚。2019年4月29日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所白洋，儲成才及華大基因共同通訊在Nature Biotechnology 在線發表題為“NRT1.1B is associated with root microbiota composition and nitrogen use in field-grown rice”的研究論文，該研究通過比較田間生長的68個秈稻和27個粳稻品種，發現秈稻和粳稻形成了截然不同的根系微生物組。該項研究不僅揭示了水稻亞種間根系微生物組與其氮肥利用效率的關系，證明了NRT1.1B在調控水稻根系微生物組的關鍵作用；更為重要的是，建立了第一個水稻根系可培養的細菌資源庫，為研究根系微生物組與水稻互作及功能奠定了重要基礎，同時也為應用有益微生物、減少氮肥的施用奠定了基礎。

　　由于該文章研究的重要意義，入選了Nature Biotechnology 的封面文章。

　　在土壤中，植物的根系除了固著植物并作為吸收水分和營養的器官以外,還是微生物聚集棲息和繁衍的場所。這些微生物及其相互關系統稱為根系微生物組。這些根系微生物伴隨著植物的整個生長周期，幫助植物吸收營養、抵抗病害和適應脅迫環境。亞洲栽培稻(Oryza sativa L.)主要分為秈稻和粳稻兩個亞種。相比粳稻，秈稻通常表現出更高的氮肥利用效率。已有研究表明，秈稻中的一些基因如NRT1.1B的自然變異在提高秈稻氮肥利用效率中起著非常重要的作用。然而，水稻秈粳亞種間根系微生物組成是否影響其氮肥利用效率仍不清楚。

　　中國科學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，通過比較田間生長的68個秈稻和27個粳稻品種，發現秈稻和粳稻形成了截然不同的根系微生物組。秈稻根系富集的微生物組的多樣性明顯高于粳稻，且根系富集微生物組的特征可以作為區分秈粳稻的生物標志。有意思的是，秈稻根系比粳稻富集更多與氮循環相關的微生物類群，從而具有更加活躍的氮轉化環境，這可能是導致秈稻氮肥利用效率高于粳稻的重要原因之一。通過遺傳學實驗發現，NRT1.1B的缺失和秈粳間的自然變異顯著影響水稻根系微生物組，而這些微生物大部分具有與氮循環相關的功能。因此，水稻通過NRT1.1B調控根系具有氮轉化能力的微生物，從而改變根際微環境，進而影響秈粳稻田間氮肥利用效率。

　　研究者通過改進后的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，建立了首個系統的水稻根系細菌資源庫。利用水稻根系細菌資源庫人工重組了秈稻和粳稻特異富集菌群，發現秈稻富集菌群比粳稻富集菌群能夠更好地促進水稻在有機氮條件下的生長，進一步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。

　　該項研究不僅揭示了水稻亞種間根系微生物組與其氮肥利用效率的關系，證明了NRT1.1B在調控水稻根系微生物組的關鍵作用；更為重要的是，建立了第一個水稻根系可培養的細菌資源庫，為研究根系微生物組與水稻互作及功能奠定了重要基礎，同時也為應用有益微生物、減少氮肥的施用奠定了基礎。該項研究成果于2019年4月29日在線發表于Nature Biotechnology 雜志(doi: 10.1038/s41587-019-0104-4)。

　　秈稻和粳稻富集了不同的根系微生物組，這些微生物與水稻氮肥利用效率有關

　　NRT1.1B的自然變異是導致秈稻和粳稻根系微生物組出現差異的原因之一。相比粳稻，秈稻根系富集了更多與氮循環相關的微生物種類，這些微生物可以將土壤中的有機氮轉化為無機氮直接被水稻吸收利用

　　白洋組博士后張婧贏、工程師劉永鑫、博士生張娜、儲成才組副研究員胡斌和華大基因的金桃為共同第一作者，中國科學院遺傳與發育生物學研究所的儲成才研究員和白洋研究員為共同通訊作者。該研究得到了中國科學院戰略性先導科技專項、前沿科學重點研究項目、國家自然科學基金面上項目和中國科學院微生物組項目的支持。

　　原文鏈接：

　　https://www.nature.com/articles/s41587-019-0104-4