根系微生物组在水稻氮肥高效利用中的功能研究

Rice roots recruit a rich diversity of microbes (root microbiome). These microbes are involved in many important physiological processes, such as rice growth, nutrient uptake. Nitrogen use efficiency is important for rice productivity. Current researches mainly focus on rice gene improvement and fertilization pattern optimization, however, it is unknown how root microbes are involved in nitrogen uptake, especially at the microbial community level. This work will compare the root microbiome of two types rice cultivars, high nitrogen efficient varieties and low nitrogen efficient varieties, using high-throughput sequencing, and define nitrogen use related beneficial microbes; these beneficial microbes will be systematically cultured and studied for their functions. This study will reveal the interaction between rice-microbes-soil. The beneficial microbes from this work may increase the nitrogen use efficiency, reduce chemical fertilizer application. It provides a novel way to improve rice quality and productivity.

水稻根系富集了大量且种类繁多的微生物（微生物组），这些微生物参与水稻生长、营养高效等重要的生理过程。氮肥利用效率是制约水稻产量的重要因素，目前研究主要集中在对水稻品种基因的改良和施肥模式的优化方面，而根系微生物如何在群落水平作为整体参与氮肥利用并不清楚。本研究以氮高效与氮低效水稻品种为材料，通过16SrRNA基因高通量测序比较品种间根系微生物组的差异，筛选与氮高效相关的益生菌，并对这些益生菌进行分离培养和功能鉴定。本研究将揭示水稻－微生物－土壤环境之间的互作关系，相关成果中发现的根系益生菌有利于提高氮肥利用效率，减少化学肥料的使用，为水稻产量的提高和品质的增强提供新的角度。

水稻根系富集了大量且种类繁多的微生物（根系微生物组），这些微生物参与水稻生长、营养高效等重要的生理过程。氮肥利用效率是制约水稻产量的重要因素，根系微生物如何参与水稻氮肥利用仍不清楚。籼稻和粳稻是水稻的两个主要亚种，籼稻的氮肥利用效率高于粳稻。通过比较田间生长的68个籼稻和27个粳稻品种，我们发现籼稻与粳稻的根系微生物组显著不同。籼稻根系微生物组的多样性明显高于粳稻，根系微生物组的特征可以作为区分籼粳稻品种的生物标志。39.7%籼稻根系富集的细菌与土壤氮循环相关，籼稻根系比粳稻富集了更多的氨化细菌。通过氮相关根系微生物与籼粳稻基因组的关联性分析，以及突变体与野生型之间的微生物组比较，发现NRT1.1B与籼稻和粳稻根系微生物组之间的差异直接相关。为了获得水稻根系微生物菌株以进行功能研究，我们建立了一种根系微生物高通量分离培养、鉴定和数据分析的方法。该方法从新鲜植物根系中高通量分离培养细菌，使用梯度稀释的方法增加获得单一细菌的比例，采用双侧标签PCR扩增法高通量鉴定分离培养细菌的16S rRNA基因。采用这种方法，我们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。利用细菌资源，人工重组了籼稻和粳稻根系特异富集的菌群，结合水稻无菌培养体系，发现籼稻根系富集的细菌群落比粳稻根系富集的细菌群落更好地促进水稻在有机氮条件下的生长。这些研究为研究微生物功能提供了菌种资源，为应用有益微生物、减少化肥施用提供了理论依据。相关研究成果发表于Nature Biotechnology、Nature Protocols、Journal of Genetics and Genomics和Journal of Integrative Plant Biology期刊。