科技创新进展：研究揭示氮肥水平影响水稻种子内生菌群结构和籽粒品质的作用机制

近日，我所稻作中心稻田生态与资源利用课题组在期刊《Science of the Total Environment》上发表了题为“Nitrogen fertilization modulates rice seed endophytic microbiomes and grain quality”的研究论文，探索揭示了氮肥水平影响水稻种子内生菌群结构和籽粒品质的作用机制。

化肥，特别是氮肥的大量使用虽然显著提高了作物产量，但是对生态系统造成了有害的影响。水稻作为世界一半人口的主要粮食，现代育种策略的目标大多是高施氮量下获得高产，这导致氮肥利用效率低，同时对环境造成了一系列的负面影响。植物微生物群落，在植物整个生命周期的发育和健康中起着关键作用，并影响多种宿主功能，包括营养供应、抗病以及生物和非生物胁迫恢复能力。特别是根际微生物群落，因为它们与植物和土壤密切的相互作用而引起了广泛关注。施氮对植物和土壤微生物的影响已经得到了很好的研究。然而，施氮是否以及如何调节种子内生微生物群和籽粒品质仍然是未知的。了解种子内生菌群和籽粒品质对施氮量的响应，将有助于充分利用植物微生物群，减少施氮量，实现农业可持续发展。

本研究以粳稻秀水134为材料，试验设4个施氮处理：不施氮(对照;N0)、120 kg hm-1 (适宜施氮量;N1)、165 kg ha-1(中氮施用量;N2)、210 kg ha-1(高施氮量;N3)，进行大田栽培试验。于水稻成熟期，采集不同处理的水稻种子样品，提取种子内生微生物DNA，通过 16S rRNA 和ITS基因扩增子测序，分析了水稻在不同氮肥施用条件下种子内生细菌和真菌群落结构 (多样性、物种组成、差异微生物类群、共相关网络)的差异；同时测定了各个处理下水稻籽粒中的总淀粉、直链淀粉、支链淀粉含量、蛋白质含量和氨基酸含量等品质指标，探索了氮肥水平对种子内生菌群结构和籽粒品质的影响机制。

图1.不同施氮量下水稻籽粒品质性状的差异。(a)淀粉总含量; (b)支链淀粉含量; (c)直链淀粉含量; (d)蛋白质含量。N0:不施氮的控制; N1: 120kg ha-1; N2: 165 kg ha-1; N3: 210 kg ha-1。不同字母表示处理间差异显著(Turkey’s多重比较试验; p < 0.05)。

图2.不同施氮量下种子内生微生物(细菌和真菌)的群落组成。不施氮对照(N0)、120 kg ha-1 (N1)、165 kg ha-1 (N2)、210 kg ha-1 (N3)。

图3.不同施氮量下种子内生植物群落中细菌和真菌群落的共生网络。基于分类谱的Spearman相关分析构建网络;p < 0.05。节点大小与相对丰度成正比，节点颜色表示在层次上的类群。不施氮对照(N0)、120 kg ha-1(N1)、165 kg ha-1 (N2)、210 kg ha-1(N3)。

图4.不同氮肥施用量对水稻种子内生微生物群落和籽粒品质的影响。

本研究结果表明，适量施氮处理的水稻种子内细菌和真菌群落多样性和丰富度均高于过量或不施氮处理，籽粒蛋白质和氨基酸含量随着施氮量增加而增加。在适度施氮条件下，种子内生微生物群落的共生网络更为复杂，富集更多潜在的有益菌群，而在过量施氮条件下则相反。此外，籽粒直链淀粉和支链淀粉含量与细菌和真菌优势属的相对丰度呈显著正相关，而籽粒氨基酸含量与细菌优势属呈负相关，与真菌优势属呈正相关。综上所述，适量施氮可以促进种子中细菌和真菌群落定殖，提高粮食食味和蒸煮品质。本研究拓展了我们对合理施肥在可持续农业中种子-微生物相互作用中的重要作用的认识。

该研究获得了农产品质量安全危害因子与风险防控国家重点实验室开放基金、浙江省重点研发计划项目和中央科研院所基本科研业务费专项资金等项目的资助。该论文为我所、宁波大学等单位合作完成，我所刘元辉助理研究员和褚光副研究员为论文共同第一作者，我所王丹英研究员、宁波大学农产品质量安全危害因子与风险防控国家重点实验室葛体达教授和张昊青博士后为共同通讯作者，阿德莱德大学生物科学学院的Erinne Stirling也参与了此研究工作。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.159181