7月12日，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所濱海鹽堿地生物資源評價利用創(chuàng)新團(tuán)隊聯(lián)合華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物營養(yǎng)生物學(xué)團(tuán)隊在國際權(quán)威期刊Journal of Advanced Research發(fā)表了題為“Kaempferol drives genotype-specific microbiota Bacillaceae to enhance nitrogen acquisition in rapeseed”的最新研究成果。該研究揭示了氮高效基因型油菜通過根系分泌的類黃酮代謝物山柰酚招募特定微生物群，顯著提升油菜的氮利用效率。這一發(fā)現(xiàn)為減少化肥使用、推動農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了重要科學(xué)依據(jù)。
油菜的“氮難題”：高需求與低效率的矛盾
油菜作為我國重要的油料作物，對氮元素需求極高，但自身氮利用效率（NUE）卻普遍偏低。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，為提高產(chǎn)量往往過量施用氮肥，不僅增加種植成本，還可能導(dǎo)致土壤退化、水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題。因此，探索油菜高效吸收氮的自然機(jī)制，成為農(nóng)業(yè)科研的重要方向。
中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊聚焦油菜不同基因型的差異，發(fā)現(xiàn)氮利用效率存在顯著差異的油菜品種，其根際微生物群結(jié)構(gòu)大不相同——這為解開“氮吸收之謎”提供了關(guān)鍵線索。
關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)：高效基因型的“微生物幫手”
研究團(tuán)隊選取了兩種氮利用效率差異顯著的油菜基因型：高效型（D4）和低效型（D2）。通過比較分析發(fā)現(xiàn)，D4的根際微生物多樣性更高，其中芽孢桿菌科（Bacillaceae）細(xì)菌的豐度顯著高于D2。
為驗證這類細(xì)菌的作用，研究人員從D4根際分離出一株芽孢桿菌（Bacillussp.41S2），并將其接種到低效基因型D2中。結(jié)果顯示，在低氮條件下，接種后的D2根生物量增加1倍，shoot生物量增加1.3倍，氮吸收量顯著提升；15N同位素標(biāo)記實驗進(jìn)一步證實，該菌株能直接促進(jìn)油菜對氮的吸收。
深入研究發(fā)現(xiàn)，芽孢桿菌41S2的“促氮”能力與植物激素信號通路密切相關(guān)。RNA-seq分析顯示，接種該菌株后，油菜根中與茉莉酸（JA）和乙烯（ET）信號相關(guān)的基因表達(dá)顯著上調(diào)，而這些通路能促進(jìn)根系生長發(fā)育，增強(qiáng)植物在低氮環(huán)境中的“覓食”能力。
信號物質(zhì)山柰酚：微生物的“邀請函”
為什么高效基因型能特異性富集芽孢桿菌科？研究團(tuán)隊通過代謝組學(xué)分析找到了答案——根分泌物中的山柰酚（一種黃酮類物質(zhì)）起到了關(guān)鍵作用。
檢測發(fā)現(xiàn)，高效基因型D4分泌的山柰酚含量遠(yuǎn)高于低效基因型D2，且這種差異在低氮條件下更為明顯。實驗證實，山柰酚能以劑量依賴方式促進(jìn)芽孢桿菌41S2的生長，并顯著增強(qiáng)其生物膜形成能力（生物膜是細(xì)菌在根際定植的重要“錨點(diǎn)”）。更重要的是，無法合成山柰酚的擬南芥突變體（fls1），其根際芽孢桿菌科豐度大幅下降，直接證明了山柰酚對該類微生物的“招募”作用。
有趣的是，接種芽孢桿菌41S2還能反過來誘導(dǎo)油菜表達(dá)更多與山柰酚合成相關(guān)的基因（如FLS1），形成“植物分泌信號物質(zhì)—微生物富集—促進(jìn)植物生長”的良性循環(huán)。
農(nóng)業(yè)應(yīng)用前景：讓作物“自主”增效
該研究揭示了“宿主基因型—山柰酚—芽孢桿菌科”這一新型氮吸收調(diào)控通路，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了新思路。未來，通過培育能高效分泌山柰酚的油菜品種，或研發(fā)基于芽孢桿菌的生物菌肥，有望減少化肥依賴，提高氮利用效率。
資源與環(huán)境學(xué)院已畢業(yè)博士王友強(qiáng)（現(xiàn)為中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所助理研究員）與中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所趙棟霖副研究員為共同第一作者，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所張成省研究員、鄭艷芬副研究員和資源與環(huán)境學(xué)院丁廣大教授為共同通訊作者。該研究獲得了國家自然科學(xué)基金與中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程的資助。
論文鏈接：https://authors.elsevier.com/sd/article/S2090-1232（25）00542-9
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