酸性土壤占世界潛在耕地的40%至50%。在酸性土壤中，鋁毒性嚴(yán)重阻礙了作物的生長，成為僅次于干旱的第二大非生物性脅迫因子。盡管關(guān)于植物對抗鋁毒性的機(jī)制已有大量研究并取得了重要進(jìn)展，但土壤微生物是否以及如何增強(qiáng)作物對鋁毒的抗性仍有待探索�；诖耍暇┩寥姥芯克�梁玉婷（第六批會員，2020年優(yōu)秀會員）研究員課題組與及其合作者利用單細(xì)胞拉曼結(jié)合重水標(biāo)記技術(shù)開發(fā)了高效的耐鋁合成微生物菌群（SynCom），通過大田和盆栽實(shí)驗(yàn)評估SynCom對水稻的促生效果，并采用原位根系掃描、梯度擴(kuò)散薄膜、同位素標(biāo)記技術(shù)及土壤磷連續(xù)化學(xué)提取等方法，闡明了SynCom在水稻抗鋁和促磷吸收方面的潛在機(jī)制，突顯了利用微生物策略在酸性土壤中推進(jìn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的巨大潛力。該工作于10月2日以“Root microbiota confers rice resistance to aluminium toxicity and phosphorus deficiency in acidic soils”為題發(fā)表于Nature Food。
研究結(jié)果表明，基于田間酸性土壤水稻根際分離的細(xì)菌開發(fā)的高效耐鋁SynCom能夠直接促進(jìn)酸鋁土壤中的水稻生產(chǎn)性能和產(chǎn)量。如圖1所示，三維原位根系掃描清晰的展示了水稻根系構(gòu)型在微生物接種后發(fā)生優(yōu)化。特別地，結(jié)合二維的原位攝影和繪圖的結(jié)果，該研究發(fā)現(xiàn)，接種SynCom后，水稻形成了更長、更細(xì)和更淺的根系。這種根構(gòu)型變化通常被認(rèn)為與植物對逆境緩解和養(yǎng)分獲取的策略有關(guān)，特別是淺根型的變化。 
圖1 SynCom接種優(yōu)化水稻根系構(gòu)型 鑒于鋁毒直接抑制了根系的伸長、導(dǎo)致根系短小且發(fā)育不良，更長更細(xì)的根系可能是由SynCom接種降低了土壤鋁毒性引起的。如圖 2所示，接種SynCom后，表層土壤pH從5.15顯著增加到5.79，Al3+含量從0.53 mg L-1下降到0.19 mg-1（0-4 cm）。SynCom成員之一的P. aeruginosa表面有機(jī)陰離子官能團(tuán)（-COO-或-O-）與質(zhì)子（H+）相互作用形成中性分子的質(zhì)子化過程是SynCom緩解水稻酸鋁脅迫的主要機(jī)制。此外，SynCom接種改變了微生物群落的組成，顯著增加了解磷微生物類群在根際土壤中的相對豐度。 
圖2 SynCom介導(dǎo)的土壤Al毒性和細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成的變化 在土壤鋁毒性改善的基礎(chǔ)上，接種SynCom促使表層土壤中的有機(jī)磷和殘留磷被更多地轉(zhuǎn)化為有效磷供以植物和微生物吸收和利用。如圖3所示，接種SynCom后，表層土壤（0 ~ 4 cm）中的有機(jī)磷和殘留磷含量分別下降了61.1%和9.51%，且表層土壤細(xì)菌群落的殘留磷溶解能力提高了37.2%。參與有機(jī)磷礦化的酸性磷酸酶（ACPs）和堿性磷酸酶（ALPs）活性在接種SynCom后均有所增加。此外，該研究發(fā)現(xiàn)R. erythropolis（SynCom的成員）在調(diào)節(jié)土壤磷有效性方面具有潛在的獨(dú)特功能，即鋁脅迫增強(qiáng)了R. erythropolis體內(nèi)聚磷酸鹽的形成。 
圖3 SynCom促進(jìn)表層土壤磷的活化 最后，該研究提出了SynCom賦予水稻鋁抗性和植物在酸性土壤中的生長的假設(shè)機(jī)制（圖 4），即施用耐鋁SynCom顯著提高了水稻的抗鋁能力，緩解了土壤磷缺乏。在根際保持高豐度的SynCom通過質(zhì)子化作用提高了土壤pH并降低了Al3+，提高了ALP活性并使根構(gòu)型向淺根型發(fā)育，更有效地利用土壤中的有效磷�？傊�，接種SynCom顯著提高了水稻的耐鋁能力，緩解了磷缺乏。水稻生長和產(chǎn)量、根系微生物組和土壤條件之間的相互依賴表明在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中需要考慮植物-土壤-微生物群的內(nèi)在整體性。利用微生物策略（如定制的SynComs）是促進(jìn)可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展，改善植物生長、產(chǎn)量和抗性的一種有前景的方法。  圖4 酸性土壤中SynCom賦予水稻抗鋁耐酸的促生機(jī)制
南京土壤研究所博士后劉朝陽、博士生姜美彤和加州大學(xué)伯克利分校Yuan Mengting Maggie為共同第一作者。通訊作者為中國科學(xué)院南京土壤所梁玉婷研究員。該項(xiàng)研究工作得到了中科院先導(dǎo)項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會等項(xiàng)目的大力支持。 文章鏈接
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