Nature Plants | 西南大学陈新平团队与合作者揭示玉米根系发育与根际有益微生物互作的新机制

责编 | 王一

提高作物产量、保障粮食安全、实现农业可持续发展一直是国际科学界的重大挑战。片面依靠肥料养分投入的集约化农业生产体系带来了严重的资源环境问题，今后必须充分发挥作物生长发育与土壤有益微生物良性互作的生物学潜力，从根本上改变高肥料投入、高污染的农业生产方式，破解农业绿色发展的理论与技术瓶颈。植物根系与微生物互作对于植物养分吸收，耐受胁迫及抗病方面具有重要作用。

一直以来在拟南芥上生物学机制研究进展迅速，包括根系发育，养分吸收及抗病方面的分子生物学及遗传学机制都有相关报道，然而，在作物根系结构与特定的功能微生物群落之间的反馈调节机制鲜有报道，如何充分发挥作物根系和根际微生物良性互作、提高作物对土壤养分的吸收利用效率仍然是科学难题。

近日，西南大学陈新平团队与德国波恩大学Frank Hochholdinger教授团队合作在Nature Plants在线发表了题为Plant flavones enrich rhizosphere Oxalobacteraceae to improve maize performance under nitrogen deprivation的研究论文，揭示了玉米根系发育与根际有益微生物互作的生物学机制，阐明了根系分泌黄酮类衍生物驱动草酸杆菌科微生物在根际富集，进而促进玉米在低氮土壤中的侧根发育及氮素吸收。该研究对于理解非豆科植物比如玉米在低氮环境中适应性生存策略，及植物-微生物互作促进养分高效吸收具有潜在的农业应用价值。

该研究首先进行田间试验利用20份具有显著不同遗传背景的玉米自交系材料，分别对冠根发育不同区域进行高通量转录组测序及对应的根际土壤微生物扩增子测序（16S和ITS），通过微生物共变异及基因共表达网络分析发现玉米根系纵向发育区域（根毛，侧根）功能特性与特定的微生物群落相关联，进一步对代表自交系进行宏基因组深度测序分析、根际移植试验、不同土壤分离菌接种试验，发现特定的根际微生物群落（草酸杆菌科）与玉米生长及氮素吸收密切相关。

随后，该对玉米根系提取物和分泌物进行靶定代谢物分析结合稳定14C标记根际碳示踪技术及玉米查尔酮合成突变体结合外源黄酮类化合物互补研究，揭示玉米根系分泌黄酮类衍生物介导的草酸杆菌在维持寄主-微生物良性互作并促进玉米侧根发育和氮素吸收过程中的关键作用。

最后，通过比较不同玉米根系发育缺失突变体，验证了在低氮土壤条件下黄酮类物质分泌与侧根发育及根际草酸杆菌科在根际富集和功能互作的遗传学基础。本研究紧密结合多学科交叉互补合作，利用根系及根际研究前沿技术，立足于植物营养田间调控实际问题与作物根系遗传发育，为充分利用微生物资源实现作物遗传改良及作物养分高效利用新品种开辟新的途径。

Proposed model for flavone-dependent, microbiota-mediated lateral root formation and plant performance

西南大学资环学院陈新平教授带领的植物营养与调控团队与德国波恩大学Frank Hochholdinger教授带领的作物遗传发育团队自2018来建立了紧密合作关系。该成果充分发挥了合作各方的优势，实现了植物营养调控和作物根系遗传发育紧密结合，为遗传改良作物养分高效性状提供了创新思路，对绿色作物生产具有重要的指导意义。

西南大学资源环境学院陈新平教授和德国波恩大学作物功能生物学实验室Frank Hochholdinger教授为该论文共同通讯作者，德国波恩大学根系功能生物学实验室PI于鹏博士为第一作者，西南大学资源环境学院博士生何晓名为共同第一作者。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41477-021-00897-y

注：本文内容来源于小可生命，有所改动。原文链接为：

https://mp.weixin.qq.com/s/WtzEWDJE1megzDrW8xW3sg