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近日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心王二涛研究组与中国科学院遗传与发育生物学研究所曹晓风院士团队联合在Nature Communications上发表了题为“Dynamic root microbiome sustains soybean productivity under unbalanced fertilization”的研究论文。该研究基于一项持续40余年不施氮肥、磷肥或钾肥的黑土长期定位试验，首次系统描述了不同养分条件下大豆全生命周期的定量微生物组特征，并发现低氮条件下根际富集的微生物组模块能够促进大豆生长，为大豆“减肥增效”提供了理论基础和技术支持。
基于定量微生物组分析结果表明，大豆根际和根内细菌的丰度随植物发育呈持续升高的趋势，并且生态位、植物发育阶段和施肥处理均显著影响了细菌群落的多样性。具体地，缺氮处理中根际细菌的α多样性在营养生长期高于正常施肥处理且β多样性与其他处理存在明显分异；而缺磷处理降低了细菌的丰度及其随植物发育的周转速率，其α多样性在生殖生长期高于正常施肥处理。相比之下，根内生细菌的α和β多样性对施肥的敏感性较低，其α多样性在大豆萌发后第14天达到最小值，并在后续生长阶段维持稳定。此外，变形菌门和放线菌门在根际和根内均占据主导地位，其中放线菌门在大豆发育前期占优势，而变形菌门在大豆发育后期占优势。拟杆菌主要积累在大豆生长的后期，其在缺磷处理中的丰度显著低于对照。此外，长期不施氮肥显著提高了根际中根瘤菌的丰度，并提高了大豆根瘤的数量和直径；而缺磷处理则呈现出相反的趋势。
试验设计、土壤养分含量和大豆产量
由于根际微生物比根内微生物对施肥处理更为敏感，因此作者重点研究了根际微生物群落组成和功能对施肥的响应。进一步，作者在根际中鉴定到573个核心ASVs，虽然这些ASVs只占根际细菌种类的2.4%，但却贡献了74.6%的丰度，并且在不同样品中均有较高的代表性。差异分析结果表明，与正常施肥处理相比，缺氮、缺磷和缺钾处理分别有172、67和6个差异核心ASVs。缺氮处理富集的ASV主要由根瘤菌目（12 ASVs）、鞘脂单胞菌（8）、放线菌目（8）和红色杆菌目（7）组成；然而缺磷处理大多数变化的ASV都是显著降低的，并主要以放线菌目（24）为主。宏基因组功能分析发现，不同施肥处理中根际细菌的功能多样性有明显的差异，其中缺氮处理中氮矿化相关基因富集，而氮还原和无机磷溶解等功能基因丰度降低。同时，缺磷处理中无机磷溶解和磷饥饿响应等功能基因显著富集，而硝化和反硝化相关过程基因也显著富集。
随后，作者构建了根际微生物共现网络，通过合成群落试验验证了根际微生物对大豆生长的促进作用。结果表明，与正常施肥处理相比，缺氮和缺钾处理均显著提高了根际细菌共现网络的复杂性和稳定性。然而，在网络中未鉴定出关键物种，这暗示了微生物可能是通过集群而不是单个物种主导根际微生物的功能。通过模块化分析，作者在缺氮处理特异富集（low-nitrogen-enriched, LNE）的网络模块中鉴定到7株在根际网络中存在密切联系的细菌（Rhodococcus, Lysobacter, Terrabacter, Arthrobacter, Phyllobacterium, Bosea 和 Aeromicrobium）。盆栽试验结果发现，与接种对照合成群落（SynCtrl）相比，该合成群落（SynCom7和SynCom5）能够通过产IAA、ACC脱氨酶以及溶解无机磷等多种有益功能显著增加大豆的株高和生物量，并提高了植株硝态氮含量。
低氮条件富集的微生物群落促进大豆生长
综上，这项基于定量微生物组的研究为植物根系相关微生物群落的动态组装提供了新的见解，凸显了根际微生物群落在替代氮肥以保障大豆产量方面的潜能。以上发现进一步加深了我们对于如何整合共生根瘤菌和有益的根际微生物群落以制备作物接种剂的理解，考虑到过量施肥对环境的不利影响及其相关的碳排放，本研究为如何优化大豆的种植模式和减少氮肥的使用提供了新的技术方案。
中国科学院分子植物科学卓越创新中心博士后王明星、葛安辉和黑龙江省黑土保护利用研究院研究员马星竹为该论文的共同第一作者，王二涛究员和曹晓风院士为该论文的共同通讯作者。该研究得到了中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院先导项目和新基石科学基金会的资助。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-45925-5
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