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NBT封面文章:水稻根系微生物组与氮肥利用效率关系(端午水稻专题)

已有 542 次阅读 2019-6-6 14:53 |个人分类:新闻|系统分类:科研笔记

今天端午节,祝大家节日快乐!

大家每年端午节都吃粽子,制作粽子的主要材料是糯米(一般南方称糯米,北方称江米)。水稻按亚种可主要分为籼稻和粳稻、按糯性可分为糯稻和非糯稻(糯性)。糯稻只是水稻中的一个变种,支链淀粉含量高,因此煮熟后粘度较高。

下面这篇文章讲述了一个水稻根系微生物组与籼粳稻亚种氮肥利用差异之间关系的故事。

Nature Biotechnology 杂志2019年6月5日(37卷第6期),中科院遗传发育所关于水稻微生物组的研究入选为封面文章。

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https://www.nature.com/nbt/

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https://www.nature.com/nbt/volumes/37/issues/6

特别感谢中国科院植物所科学画师 李爱莉 为本期封面手绘了水稻植株,展示出壮观的根系结构。

以下是文章新闻稿:

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原文链接:https://www.nature.com/articles/s41587-019-0104-4

官方分享链接(免费阅读PDF全文):https://rdcu.be/bFHLH

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。

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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。

评论

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

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Reference

Jingying Zhang, Yong-Xin Liu, Na Zhang, Bin Hu, Tao Jin, Haoran Xu, Yuan Qin, Pengxu Yan, Xiaoning Zhang, Xiaoxuan Guo, Jing Hui, Shouyun Cao, Xin Wang, Chao Wang, Hui Wang, Baoyuan Qu, Guangyi Fan, Lixing Yuan, Ruben Garrido-Oter, Chengcai Chu & Yang Bai. NRT1.1B is associated with root microbiota composition and nitrogen use in field-grown rice. Nature Biotechnology. 2019, 37: 676-684. doi:10.1038/s41587-019-0104-4

https://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

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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 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、Science、Nature Biotechnology、Nature Methods、Nature Plants、Microbiome、GigaScience、Science China Life Sciences等杂志发表论文20余篇。

点击以下链接,观看视频版白洋组简介

https://v.qq.com/x/page/x0842fhrc5c.html

CEPAMS官页白洋组简介视频

实验室主页:http://bailab.genetics.ac.cn/

储成才

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储成才,研究员

储成才,中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员,中国科学院大学教授,博士生导师。1999年入选中国科学院“百人计划”;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年获国家杰出青年基金;2016年入选中国科学院“特聘 核心骨干”研究员,第七届全国优秀科技工作者,其领导的研究团队入选科技部国家创新人才推进计划重点领域创新团队,并荣获“第六届中国侨界贡献奖”;2017年入选中组部、人社部“万人计划”领军人才。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。

《遗传》杂志副主编,《中华科学技术大词典》、《Rice》、《植物学报》、《植物生理学报》、《农业生物技术学报》等编委。

回国后在Nature Genetics、Nature Biotechnology、Nature Plants、Nature Communications、Trends in Plant Science、Genome Research、PNAS、Plant Cell、Molecular Plant、Plant Physiology、Plant Journal等刊物发表论文120多篇(他引8158、H指数50),申请专利50多项,其中国际专利8项,与育种单位合作培育水稻新品种5个。

张婧赢

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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

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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Science、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800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4.6万+,累计阅读700万+。

张娜

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张娜,河北大学生物科学本科;遗传发育所直博生。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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