2024年2月23日，國際知名學(xué)術(shù)期刊Nature Communications在線發(fā)表了中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤研究組與中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所曹曉風(fēng)院士團(tuán)隊(duì)合作的題為“Dynamic root microbiome sustains soybean productivity under unbalanced fertilization”的研究論文。該研究首次系統(tǒng)描述了不同養(yǎng)分條件下大豆全生命周期的定量微生物組特征，發(fā)現(xiàn)在東北黑土中連續(xù)41年不施氮肥不影響大豆產(chǎn)量，并揭示了微生物群落如何支撐大豆“增產(chǎn)增效”的機(jī)制，為大豆“減肥增效”提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)方案。

根際微生物組被稱為植物的“第二基因組”，在植物生長、發(fā)育和健康等方面發(fā)揮了重要的作用。植物與其根際微生物之間的相互作用是非常復(fù)雜和動態(tài)的，受到植物發(fā)育和土壤環(huán)境的強(qiáng)烈影響。然而，傳統(tǒng)的相對定量分析方法阻礙了人們對根際定量微生物組如何動態(tài)響應(yīng)不同土壤條件的理解。因此，王二濤研究組進(jìn)一步完善了他們此前開發(fā)的定量微生物組分析（quantitative microbiome profiling, QMP）方法（Wang, et al., 2020; Wang, et al., 2021），并使用該方法詳細(xì)描述了大豆根際微生物組對不同施肥處理的動態(tài)響應(yīng)特征。

該研究通過持續(xù)40多年不施氮肥、磷肥或鉀肥的黑土試驗(yàn)地發(fā)現(xiàn)，長期不施氮肥并不影響大豆的產(chǎn)量，甚至還有平均9%左右的增產(chǎn)。定量微生物組分析結(jié)果表明，長期不施氮肥塑造了獨(dú)特的根際微生物群落演替模式，而長期不施磷肥則阻礙了根際微生物群落的發(fā)育，并普遍降低了根際微生物的豐度。重要的是，該研究還發(fā)現(xiàn)低氮條件增強(qiáng)了大豆與根瘤菌間的共生關(guān)系，且低氮富集（low-nitrogen-enriched, LNE）的根際微生物合成群落能夠通過產(chǎn)IAA、ACC脫氨酶以及溶解無機(jī)磷等多種有益功能促進(jìn)大豆生長。這項(xiàng)基于定量微生物組的研究為根際微生物群落的動態(tài)組裝提供了新的見解，凸顯了根際微生物群落在替代氮肥以保障大豆產(chǎn)量方面的潛能。這些發(fā)現(xiàn)加深了我們對于如何整合共生根瘤菌和有益的根際微生物群落以制備作物接種劑的理解，同時(shí)也為如何優(yōu)化大豆的種植方式和減少氮肥的使用提供了重要的參考。

中國科學(xué)院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士后王明星、葛安輝和黑龍江省黑土保護(hù)利用研究院研究員馬星竹為該論文的共同第一作者，王二濤研究員和曹曉風(fēng)院士為該論文的共同通訊作者，深圳華大生命科學(xué)研究院劉歡研究員和王亞玉博士等也參與了本項(xiàng)研究。該研究得到了中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院先導(dǎo)項(xiàng)目和新基石科學(xué)基金會的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45925-5

長期不施氮肥條件下根際微生物維持大豆產(chǎn)量