東北地理所在Nature Communications發文解析野生稻根際微生物如何助力黑土地綠色農業
在全球糧食生產大幅提升的今天，農業對化肥和農藥的依賴性也在不斷增加。水稻作為全球最重要的糧食作物之一，其馴化過程雖然提高了產量和品質，但也可能帶來了未曾預料的環境影響。近年來，黑土地正面臨“量減質退”與糧食產能協同提升的雙重挑戰，解析作物馴化對根際微生物組的調控機制，既是破解“高投入-低效率-高排放”農業困局的關鍵突破口，更是實現“藏糧于地、藏糧于技”國家戰略的迫切需求。
針對以上問題和需求，東北地理所土壤微生物與養分循環學科組田春杰團隊服務于黑土地土壤生物定向培育目標，聚焦水稻馴化過程，探討了根際微生物氮循環功能特征的變化及其應用潛力，攻克了黑土微生物健康定向培育協同產能提升的關鍵技術瓶頸。
通過宏基因組學和實時PCR技術，分析了野生稻與栽培稻根際微生物群的功能差異。研究發現，野生稻根際微生物組固氮基因豐度顯著高于栽培稻。為進一步驗證，將野生稻和栽培稻的根際微生物懸液移植到土壤中，發現無論種植野生稻還是栽培稻，野生稻根際微生物懸液培育的土壤固氮酶活性都是最高的，揭示了野生稻根際微生物能夠高效利用空氣中氮氣的潛力，減少對化肥的依賴。
圖1 野生稻與栽培稻根際微生物組氮循環功能解析模型
栽培稻的根際微生物組中與氧化亞氮(N?O)生成相關基因數量顯著增加。通過田間測量N?O排放量發現，栽培稻土壤中的N?O排放量顯著高于野生稻。為解析水稻馴化對根際氮循環微生物組的調控機制，研究人員系統比較野生稻和栽培稻根系代謝組，發現野生稻根系分泌物與微生物固氮基因豐度呈正相關。進一步實驗表明，向黑土中添加野生稻根系代謝物，可以顯著增加土壤微生物固氮基因豐度和固氮酶活性。
圖2 野生稻與栽培稻根系分泌物驅動土壤固氮功能重塑 的動態調控
本研究系統揭示了水稻馴化對根際微生物群功能和環境影響的深遠意義。研究發現，栽培稻不僅減少了固氮微生物的數量，還增加了溫室氣體N?O的排放。這一發現強調了作物馴化過程中存在的環境代價，為未來農業可持續發展提供了重要的科學依據。通過闡明作物馴化對微生物群的影響，我們可以設計更環保的農業實踐，減少對化肥的依賴，從而降低農業活動對氣候變化的負面影響。這些研究結果為高效挖掘野生稻微生物資源，實現化肥替代并降低溫室氣體排放提供了有效解決方案，突破了傳統“以肥養地”模式，提出了“微生物調控黑土自肥”的理論體系，為保障國家糧食安全提供重要科學依據。
研究成果近期在線發表于國際頂級期刊Nature Communications(影響因子14.7)。研究由常晶晶(第一作者)、田春杰研究員(通訊作者)聯合荷蘭生態研究所Eiko E. Kuramae教授等共同完成。相關研究受國家重點研發計劃項目(2024YFD1501003)國家自然科學基金項目(U22A20593. 41920104008. 32401436. 32371734)、中國科學院戰略重點研究計劃項目(XDA28020400)、中國江西省重大科技研發項目(20213AAF01001)的共同資助。該項研究得到了江西農科院、復旦大學、南昌大學、吉林農業大學以及荷蘭生態研究所的合作支持。
論文信息：Chang,J.,Costa,O.Y.A.,Sun,Y. et al. Domesticated rice alters the rhizosphere microbiome,reducing nitrogen fixation and increasing nitrous oxide emissions. Nature Communications 16. 2038 (2025).
論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-57213-x
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