基于多因素调控下水稻根际微生物组学研究

In recent years, with the development of molecular biology technologies, rhizosphere microbiome study is becoming a hot spot in scientific research. The influence of root-associated microbiome variation on the nutrient absorption by plants and crop production has received increasing attention to more and more foreign and domestic scholars. However, compared to animal, plant root microbiome is still in its infancy and there is limited knowledge as to how the totality of root-associated microbes is shaped by various factors or its pattern of acquisition in the root. Rice is one of the main food crops in China, and it is cultivated in different soil types with different genotypes. Here we present a detailed characterization of the root-associated microbiomes of the crop plant rice with classical soil types in China by metagenomic and metatranscriptomic technologies to (1) fully illustrate the process of root microbiome assembly that governed by soil types and genetic principles, (2) reveal the contributions of O2 secretion of rice root to rice root microbiome composition, (3) demonstrate the influence of chlorinated organic pollutants to the root-associated microbial community. Our results could provide theory basis for the development of root-associated remediation and could open new avenues for modulating the root microbiome to enhance crop production and sustainability.

近年来，随着分子生物学研究手段的日益发展，根际微生物组学研究成为现代科学研究的热点，基于根际微生物组结构变异对植物养分转化吸收和作物产量提升等的影响越来越受到国内外学者的广泛关注。但相对于动物微生物组来说，植物根际微生物组的研究还处于起步阶段，关于根际微生物组形成的外界调控因素以及根内微生物的定殖机制等方面还需要进一步深入研究。作为水稻种植大国，我国水稻种植土壤类型多样且水稻品种繁多，因此，本项目基于高通量测序和转录组技术开展具有中国特色的水稻根际微生物组研究，系统分析我国水稻根际微生物组结构组成的地域特征和遗传特征，探讨水稻根系泌氧特性对根内微生物的选择塑造过程和定殖机理，同时外源添加典型有机氯代污染物，揭示污染物迁移转化对根际微生物组结构的影响过程，这为根际污染修复技术的发展提供理论依据，同时也开拓了通过调控根际微生物组结构途径来提高水稻产量和稳定性的新思路。

根际微生物在调节植物养分吸收以及提升环境适应能力等方面潜力巨大，特别是随着分子生物学技术的发展，开展植物根际微生物结构组成的影响因素及调控机制研究成为目前广泛关注的热点。本项目拟采用微宇宙培养和温室盆栽培养相结合，通过稳定同位素标记和现代分子生物学技术，对调控水稻根际微生物组的外源因素开展系统地研究并取得以下主要研究结果：（1）基于我国不同水稻品种（粳稻、籼稻和杂交稻）和土壤类型（黑土、黄斑田和红壤）的盆栽培养结果表明，根际分区（根内、根际和对照）是造成水稻根际微生物群落组成差异的最大因素，其次为土壤类型。水稻基因型对根际微生物组群落具有微小但显著（p<0.05）的影响，且对根内微生物群落的影响显著高于根际微生物群落。另外，杂交稻兼具粳稻和籼稻的特性，能够同时吸引适宜在粳稻和籼稻根内环境中生长的微生物种群。（2）研究表明水稻根内微生物（细菌、真菌和古菌）群落组成具有部分遗传特性，亲代与子代水稻根内微生物组成既有相似性又存在特异性。（3）氯代有机污染条件下，根际分区是影响水稻根际细菌群落组成差异的最大来源（71.65%），其次是水稻基因型（2.98%）和污染浓度（2.49%）。对于真菌群落而言，根际分区（47.37%）和水稻基因型（21.98%）共同影响水稻根际微生物群落的结构组成。（4）昼夜周期性交替变化显著影响水稻根系的泌氧过程，并对根际微生物的活性影响显著。水稻根系泌氧过程抑制了根际土壤中氯代有机污染物的消减，同时进一步影响其根际微生物组的结构组成，且杂交稻的抑制作用比粳稻和籼稻品种低。（5）揭示了水稻核心根内微生物OTUs主要由变形杆菌门（Proteobacteria）组成，且核心根内微生物占其总含量的72.5%，表明尽管土壤类型和水稻基因型不同，根内核心微生物组的结构组成具有普遍性。项目研究成果对于开展根际微生物组促进作物生长发育和提高植物抗逆性等方面具有重要意义。