近期，中國科學院南京土壤研究所研究員梁玉婷課題組聯(lián)合美國加利福尼亞大學伯克利分校、中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所等，在合成菌群（SynComs）協(xié)助水稻耐酸抗鋁的機理研究方面取得了重要進展。相關研究成果以Root microbiota confers rice resistance to aluminum toxicity and phosphorus deficiency in acidic soils為題，在線發(fā)表在《自然-食品》（Nature food）上。

酸性土壤約占全球潛在耕地的40%至50%，而生長在酸性土壤中的作物易受到鋁毒脅迫，這被認為是僅次于干旱的第二大非生物脅迫。鋁中毒往往導致作物缺乏礦質營養(yǎng)，影響作物生產性能。世界上約13%的水稻生長在酸性土壤中，其抗鋁毒的生理、遺傳和分子機制已被廣泛研究，而鋁抗性相關基因則為在酸性土壤中培育高產作物品種提供了潛在的工程靶點。根際微生物群作為植物的第二基因組為作物抗逆和生長提供了重要支持。然而，在酸性土壤中植物-微生物相互作用對保護水稻抵抗酸鋁毒性的潛在益處有待進一步揭示。

該團隊利用單細胞拉曼技術開發(fā)出高效耐鋁的SynCom。研究顯示，在酸鋁毒性土壤條件下，SynCom對水稻具有顯著促生作用。與對照處理相比，接種SynCom使水稻產量提升了26.36%，并使根中的鋁含量降低了26.5%。研究表明，SynCom對酸鋁土壤中水稻生長和生產的促生效果優(yōu)于非酸鋁毒性土壤條件，如葉綠素含量和生物量分別提高了0.06~23.3%和8.77%。SynCom表面有機陰離子官能團與質子相互作用形成中性分子的質子化過程是SynCom緩解水稻酸鋁脅迫的主要機制。SynCom通過增加根際溶磷菌的豐度，促進有機磷和殘留態(tài)磷向可利用磷的轉化；SynCom在細胞內形成聚磷酸鹽，實現磷的有效周轉，進而誘導水稻淺根系發(fā)育。該研究闡明了SynCom在提高水稻抗酸鋁與緩解土壤磷缺乏方面的潛在機制，為提高酸性土壤上作物產量和農業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了基于植物-土壤-微生物相互作用的潛在解決方案。

研究工作得到中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學基金等的支持。

▲酸性土壤中SynCom協(xié)助水稻抗鋁耐酸的促生機制