Nat. Biotechnol.|中科院遗传发育所揭示籼粳稻根系微生物组与氮肥利用效率关系(王二涛点评)
https://doi.org/10.1038/s41587-019-0104-4
中科院遗传发育所揭示籼粳稻根系微生物组与氮肥利用效率关系
在土壤中，植物根系为微生物提供大量聚集栖息和繁衍的场所。这些微生物及其相互关系统称为根系微生物组。这些根系微生物伴随着植物的整个生长周期，帮助植物吸收营养、抵抗病害和适应胁迫环境。亚洲栽培稻 (Oryza sativa L.)主要分为籼稻和粳稻两个亚种。相比粳稻，籼稻通常表现出更高的氮肥利用效率。已有研究表明，籼稻中的一些基因如NRT1.1B的自然变异在提高籼稻氮肥利用效率中起着非常重要的作用。然而，水稻籼粳亚种间根系微生物组成是否影响其氮肥利用效率仍不清楚。
中国科学院遗传与发育生物学研究所白洋课题组与储成才课题组合作，通过比较田间生长的68个籼稻和27个粳稻品种，发现籼稻和粳稻形成了截然不同的根系微生物组。籼稻根系微生物组的多样性明显高于粳稻，根系微生物组的特征可以作为区分籼粳稻的生物标志。有意思的是，籼稻根系比粳稻富集更多与氮循环相关的微生物种类，从而具有更加活跃的氮转化环境，这可能是导致籼稻氮肥利用效率高于粳稻的重要原因之一。通过遗传学实验，发现NRT1.1B的缺失和自然变异显著影响水稻根系微生物组，而这些微生物大部分具有与氮循环相关的功能。因此，水稻通过NRT1.1B调控根系具有氮转化能力的微生物，从而改变根际微环境，影响籼梗稻田间氮肥利用效率。
研究者通过改进后的高通量微生物分离培养和鉴定体系，成功分离培养了水稻根系70%的细菌种类，建立了首个系统的水稻根系细菌资源库。利用水稻根系细菌资源库人工重组了籼稻和粳稻特异富集菌群，发现籼稻富集菌群比粳稻富集菌群能够更好地促进水稻在有机氮条件下的生长，进一步证实了籼稻与粳稻氮肥利用效率的差异与根系微生物组有关。
该项研究不仅揭示了水稻亚种间根系微生物组与其氮肥利用效率的关系，证明了NRT1.1B在调控水稻根系微生物组的关键作用；更为重要的是，建立了第一个水稻根系可培养的细菌资源库，为研究根系微生物组与水稻互作及功能奠定了重要基础，同时也为应用有益微生物、减少氮肥的施用奠定了基础。
此项成果于2019年4月29日在线发表于Nature Biotechnology杂志(doi: 10.1038/s41587-019-0104-4)。白洋组博士后张婧赢、工程师刘永鑫、博士生张娜、储成才组副研究员胡斌和华大基因的金桃为共同第一作者，中国科学院遗传与发育生物学研究所的储成才研究员和白洋研究员为共同通讯作者。该研究得到了中国科学院战略性先导科技专项、前沿科学重点研究项目、国家自然科学基金面上项目和中国科学院微生物组项目的支持。
图1.籼稻和粳稻富集了不同的根系微生物组，这些微生物与水稻氮肥利用效率有关。
NRT1.1B的自然变异是导致籼稻和粳稻根系微生物组出现差异的原因之一。相比粳稻，籼稻根系富集了更多与氮循环相关的微生物种类，这些微生物可以将土壤中的有机氮转化为无机氮直接被水稻吸收利用。
植物学报在4月29日晚11点文章上线同时配发了对此工作的点评
·热点评· 根际微生物促进水稻氮利用的机制
Reference
Zhang, et.al. Transporter NTR1.1B contributes the association of root microbiota and nitrogen use in rice. 2019. Nature Biotechnology. doi: http://doi.org/10.1038/s41587-019-0104-4
王孝林, 王二涛 (2019). 根际微生物促进水稻氮利用的机制. 植物学报 54, 1–3.
Hu B, Wang W, Ou S, Tang J, Li H, Che R, Zhang Z, Chai X, Wang H, Wang Y, Liang C, Liu L, Piao Z, Deng Q, Deng K, Xu C, Liang Y, Zhang L, Li L, Chu C (2015) Variation in NRT1.1B contributes to nitrate-use divergence between rice subspecies. Nature Genetics. 47(7): 834-838. doi: https://doi.org/10.1038/ng.3337 解读 http://blog.sciencenet.cn/blog-2351-899496.html
作者简介
白洋研究员
白洋，博士，研究员，博士生导师
2005年毕业于武汉大学，2007年获得武汉大学植物发育生物学硕士学位，2010年在德国科隆大学获得植物发育生物学博士学位，2011—2015年博士后期间在德国马克斯普朗克植物育种研究所进行植物根系微生物组学的研究。2016年 5月至今，任中科院遗传与发育生物学所研究员，也是中国科学院-英国约翰英纳斯中心植物和微生物科学联合研究中心(CEPAMS)首位研究员。2017年入选中组部“青年千人计划”。目前主要研究根系微生物组在植物抗病抗逆、营养高效等过程中的功能。在Nature、Nature Biotechnology、Nature Methods、Nature Plants、Microbiome、GigaScience、Science China Life Sciences等杂志发表论文10余篇。
CEPAMS官页白洋老师采访视频
视频链接：https://v.qq.com/x/page/x0842fhrc5c.html
实验室主页：http://bailab.genetics.ac.cn/
储成才研究员
储成才，博士，研究员，博士生导师。
1966年生，安徽岳西人。1986年7月获安徽师范大学学士学位。1989年7月获中国科学院植物研究所硕士学位。1996年12月获德国马丁.路德大学(Martin-Luther University)博士学位，1997年进入德国Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research (IPK)进行博士后研究。1999年入选中国科学院“百人计划”，引进国外杰出人才；2004年入选首批新世纪百千万人才工程国家级人选；2006年经国务院批准享受政府特殊津贴专家；2008年国家杰出青年基金获得者。
现为“植物基因组学”国家重点实验室副主任，国家植物基因研究中心（北京）理事会秘书、主任助理及项目科学家，中国科学院遗传发育所浙江嘉兴农作物高新技术育种中心副主任。同时任中国科学院研究生院教授，中国农业科学院水稻研究所研究员，南京大学、北京师范大学、天津师范大学、安徽农业大学、河南农业大学兼职教授，天津食品生物技术重点实验室学术委员会主任，国际组织培养与生物技术学会会员，美国植物生理学会会员，中国遗传学会第七届理事会理事，中国遗传学会国际交流委员会委员，中国植物生理学会植物组织培养与生物技术专业委员会副主任委员。《Frontier in Plant Genetics and Genomics》、《植物学报》、《植物生理学报》、《农业生物技术学报》、《遗传》等编委。
张婧赢
张婧赢，吉林大学本硕，中国科学院生态环境研究中心博士，遗传发育所白洋组博士后。主要研究方向为水稻微生物组。
刘永鑫
刘永鑫，博士。2008年毕业于东北农大微生物学专业。2014年中科院遗传发育所获生物信息学博士学位，2016年博士后出站留所工作，任宏基因组学实验室工程师，目前主要研究方向为宏基因组数据分析和植物微生物组。QIIME 2项目参与人，目前在Nature Biotechnology、Genomics Proteomics Bioinformatics、Science China Life Sciences等杂志发表论文十余篇。2017年7月创办“宏基因组”公众号，目前分享宏基因组、扩增子原创文章700余篇，代表博文有《扩增子图表解读、分析流程和统计绘图三部曲》，关注人数4.1万+，累计阅读600万+。
张娜
张娜，河北大学生物科学本科；遗传发育所硕博连读生。研究方向为水稻微生物组，以共同第一作者文章发表于自然生物技术、中国科学生命科学。
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