近期，中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所研究員梁玉婷課題組聯(lián)合美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分校、中國(guó)科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所等，在合成菌群（SynComs）協(xié)助水稻耐酸抗鋁的機(jī)理研究方面取得了重要進(jìn)展。相關(guān)研究成果以Root microbiota confers rice resistance to aluminum toxicity and phosphorus deficiency in acidic soils為題，在線發(fā)表在《自然-食品》（Nature food）上。

酸性土壤約占全球潛在耕地的40%至50%，而生長(zhǎng)在酸性土壤中的作物易受到鋁毒脅迫，這被認(rèn)為是僅次于干旱的第二大非生物脅迫。鋁中毒往往導(dǎo)致作物缺乏礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)，影響作物生產(chǎn)性能。世界上約13%的水稻生長(zhǎng)在酸性土壤中，其抗鋁毒的生理、遺傳和分子機(jī)制已被廣泛研究，而鋁抗性相關(guān)基因則為在酸性土壤中培育高產(chǎn)作物品種提供了潛在的工程靶點(diǎn)。根際微生物群作為植物的第二基因組為作物抗逆和生長(zhǎng)提供了重要支持。然而，在酸性土壤中植物-微生物相互作用對(duì)保護(hù)水稻抵抗酸鋁毒性的潛在益處有待進(jìn)一步揭示。

該團(tuán)隊(duì)利用單細(xì)胞拉曼技術(shù)開(kāi)發(fā)出高效耐鋁的SynCom。研究顯示，在酸鋁毒性土壤條件下，SynCom對(duì)水稻具有顯著促生作用。與對(duì)照處理相比，接種SynCom使水稻產(chǎn)量提升了26.36%，并使根中的鋁含量降低了26.5%。研究表明，SynCom對(duì)酸鋁土壤中水稻生長(zhǎng)和生產(chǎn)的促生效果優(yōu)于非酸鋁毒性土壤條件，如葉綠素含量和生物量分別提高了0.06~23.3%和8.77%。SynCom表面有機(jī)陰離子官能團(tuán)與質(zhì)子相互作用形成中性分子的質(zhì)子化過(guò)程是SynCom緩解水稻酸鋁脅迫的主要機(jī)制。SynCom通過(guò)增加根際溶磷菌的豐度，促進(jìn)有機(jī)磷和殘留態(tài)磷向可利用磷的轉(zhuǎn)化；SynCom在細(xì)胞內(nèi)形成聚磷酸鹽，實(shí)現(xiàn)磷的有效周轉(zhuǎn)，進(jìn)而誘導(dǎo)水稻淺根系發(fā)育。該研究闡明了SynCom在提高水稻抗酸鋁與緩解土壤磷缺乏方面的潛在機(jī)制，為提高酸性土壤上作物產(chǎn)量和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了基于植物-土壤-微生物相互作用的潛在解決方案。

研究工作得到中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。

▲酸性土壤中SynCom協(xié)助水稻抗鋁耐酸的促生機(jī)制