广东
在全球粮食生产大幅提升的今天，农业对化肥和农药的依赖性也在不断增加。水稻作为全球最重要的粮食作物之一，其驯化过程虽然提高了产量和品质，但也可能带来了未曾预料的环境影响。近年来，黑土地正面临“量减质退”与粮食产能协同提升的双重挑战，解析作物驯化对根际微生物组的调控机制，既是破解“高投入-低效率-高排放”农业困局的关键突破口，更是实现“藏粮于地、藏粮于技”国家战略的迫切需求。
针对以上问题和需求，东北地理所土壤微生物与养分循环学科组田春杰团队服务于黑土地土壤生物定向培育目标，聚焦水稻驯化过程，探讨了根际微生物氮循环功能特征的变化及其应用潜力，攻克了黑土微生物健康定向培育协同产能提升的关键技术瓶颈。
通过宏基因组学和实时PCR技术，分析了野生稻与栽培稻根际微生物群的功能差异。研究发现，野生稻根际微生物组固氮基因丰度显著高于栽培稻。为进一步验证，将野生稻和栽培稻的根际微生物悬液移植到土壤中，发现无论种植野生稻还是栽培稻，野生稻根际微生物悬液培育的土壤固氮酶活性都是最高的，揭示了野生稻根际微生物能够高效利用空气中氮气的潜力，减少对化肥的依赖。
图1 野生稻与栽培稻根际微生物组氮循环功能解析模型
栽培稻的根际微生物组中与氧化亚氮(N₂O)生成相关基因数量显著增加。通过田间测量N₂O排放量发现，栽培稻土壤中的N₂O排放量显著高于野生稻。为解析水稻驯化对根际氮循环微生物组的调控机制，研究人员系统比较野生稻和栽培稻根系代谢组，发现野生稻根系分泌物与微生物固氮基因丰度呈正相关。进一步实验表明，向黑土中添加野生稻根系代谢物，可以显著增加土壤微生物固氮基因丰度和固氮酶活性。
图2 野生稻与栽培稻根系分泌物驱动土壤固氮功能重塑的动态调控
本研究系统揭示了水稻驯化对根际微生物群功能和环境影响的深远意义。研究发现，栽培稻不仅减少了固氮微生物的数量，还增加了温室气体N₂O的排放。这一发现强调了作物驯化过程中存在的环境代价，为未来农业可持续发展提供了重要的科学依据。通过阐明作物驯化对微生物群的影响，我们可以设计更环保的农业实践，减少对化肥的依赖，从而降低农业活动对气候变化的负面影响。这些研究结果为高效挖掘野生稻微生物资源，实现化肥替代并降低温室气体排放提供了有效解决方案，突破了传统“以肥养地”模式，提出了“微生物调控黑土自肥”的理论体系，为保障国家粮食安全提供重要科学依据。
研究成果近期在线发表于国际顶级期刊Nature Communications(影响因子14.7)。研究由常晶晶(第一作者)、田春杰研究员(通讯作者)联合荷兰生态研究所Eiko E. Kuramae教授等共同完成。相关研究受国家重点研发计划项目(2024YFD1501003)国家自然科学基金项目(U22A20593. 41920104008. 32401436. 32371734)、中国科学院战略重点研究计划项目(XDA28020400)、中国江西省重大科技研发项目(20213AAF01001)的共同资助。该项研究得到了江西农科院、复旦大学、南昌大学、吉林农业大学以及荷兰生态研究所的合作支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-57213-x
来源：中科院东北地理所
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