中国科学院战略性先导科技专项(B类)

土壤-微生物系统功能及其调控

项目 - 课题1:根系-微生物对话的信号基础与氮磷转化吸收

课题1:根系-微生物对话的信号基础与氮磷转化吸收

核心科学技术问题:

  1. 土壤-植物系统各关键界面对话的信号物质类型是什么?
  2. 信号物质在根系-土壤-微生物对话中作用机制是什么?
  3. 信号物质作用机制有那些调控途径或网络?

 

解决问题的思路与方法:

针对我国主要农区典型土壤—植物系统氮磷吸收利用过程,以土壤—根系—微生物界面产生的信号物质为研究对象,通过室内培养实验,利用气相/液相色谱—质谱联用、荧光标记、非损伤微测、激光显微切割、同位素示踪、单细胞分选、基因芯片、转录组学、代谢组学、蛋白组学、高通量测序等新兴技术,挖掘根系—微生物对话中新的信号物质(有机化合物类和miRNA),并阐明其作用机制;研究已知重要信号物质(独脚金内酯、真菌因子、AHL和小分子肽)在根际土壤等界面的释放特征、在氮磷利用中的作用机制;提出微生物-根系互作和地上-地下协同的信号物质调控途径。

 

主要研究内容:

1. 土壤-根系-微生物对话已知信号物质的释放特征、作用机制

利用荧光修饰标记,研究土壤—微生物界面中微生物源信号物质(AHL)在根际土壤的释放留存特征,揭示相关微生物的空间分布、演替变化规律,明确其在氮素转化中的功能和作用机制;探索根系-微生物界面微生物源菌根因子(Myc因子)的合成途径、影响因素和植物受体类蛋白,以及根系—微生物和根系—土壤界面上植物源信号物质独脚金内酯和小分子肽的释放留存特征、环境影响因素和真菌受体类蛋白;通过研究微生物源信号物质(AHL)在微生物群体中的传导与应答网络,菌根因子(Myc因子)对植物分子应答机制以及独角金内酯对真菌分子应答机制,明确已知信号物质土壤—根系—微生物对话的调控网络及其与氮磷吸收利用的联系。

2. 根系-微生物对话新的信号物质的挖掘、作用机制和调控特征

在根系—微生物和土壤—生物界面中,利用根系分泌物原位收集和根际微生物原位培养系统,分离鉴定影响硝化—反硝化过程的植物源/微生物源新的有机化合物类信号物质,明确其对根际土壤氮素转化过程的作用功能和机制,并阐明影响信号物质分泌和氮素转化速率的环境因素;在根—茎界面,通过不同氮磷处理和根系共生条件下植物不同组织部位的小RNA的高通量测序,筛选差异表达小RNA(miRNA)信号物质,并利用荧光显微技术追踪小RNA的发生、迁移部位及其对根外氮磷共生状况的响应特征,验证小RNA-靶基因之间的相互作用关系,通过研究,明确靶基因的作用机制、氮磷转运功能与蛋白水平的调控特征,揭示调控地上—地下协同的信号物质在提高氮磷吸收利用上的作用机制。

 

方向设置与团队分工:

本课题设置3个方向,分别设置一个子课题。

子课题1:土壤-微生物互作过程的信号物质作用机制及调控,负责人为中国科学院生态环境研究中心庄国强研究员;

子课题2:根系-微生物互作过程的信号物质挖掘、作用机制及调控,负责人为中国科学院南京土壤研究所施卫明研究员;

子课题3:根系-土壤互作过程的信号物质作用机制及调控,负责人为中国科学院南京土壤研究所兰平研究员;

 

年度目标:

年度 年度目标
2014 课题具体方案设计、完成课题相关重要平台的搭建,包括四个界面相关信号物质的原位收集系统、实现AHL荧光标记信号分子的活性分子的全合成等;分离鉴定根系--微生物对话中影响硝化--反硝化过程的新的信号物质;基本阐明已知信号物质(独脚金内酯和AHL等)的释放留存特征,分离纯化不同氮磷处理下的小分子肽,构建小RNA文库并进行初步的生物信息学分析。
2015 验证根系-微生物对话中新的信号物质的功能;AHL对植物高效利用氮素的影响及其分子机制的解析;验证植物关键共生基因的功能,明确磷胁迫条件下独脚金内酯的分子调控网络和对植物氮磷转化、吸收、转运和代谢过程的影响;对小RNA测序数据进行深度生物信息学分析,初步筛选差异表达的小RNA,初步明确有关氮磷吸收运输的根-茎协同的新的小RNA候选目标。
2016 在基因和生化水平上阐明根系-微生物对话中新的信号物质的作用机制;验证菌根真菌关键共生基因的功能,探明真菌因子的合成途径及影响因素;鉴定独脚金内酯参与磷高效利用相关的调控因子或结构基因,补充和完善独脚金内酯参与植物磷信号响应的调控途径;完成小RNA和靶基因遗传材料的构建。
2017 研究影响根系-微生物对话中新的信号物质的调控因素;利用转录组、代谢组解析目的小分子肽在信号传导中发挥的调控作用;确定菌根真菌接收植物源信号物质的受体类蛋白,阐明磷胁迫条件下菌根真菌应答植物源信号的分子机制;确定小RNA-靶基因路径;深入研究靶基因在氮磷吸收利用过程中的作用和调控机制。
2018 确定植物接收真菌因子的受体蛋白,阐明磷胁迫条件下植物应答真菌因子的分子机制;补充和完善信号物质的调控特征和网络;明确室内试验条件下信号物质促进氮磷吸收利用的效果及其影响因子。数据整合、凝练,编写结题报告,迎接结题验收。
五年成果
具体体现
探明影响土壤--植物系统氮磷吸收利用的根系--微生物对话的信号基础、发现若干个新的信号物质,揭示其作用机制; 阐明已知信号物质的调控网络及在氮磷利用中的作用机制; 明确信号物质调控根圈氮磷转化吸收利用的效应;提出微生物-根系互作和地上--地下协同的信号物质调控途径,为在中观尺度上研究土壤--根系--微生物协同转化氮磷的机制提供了信号基础;创新氮磷高效吸收及调控研究的信号基础;发表高水平SCI论文15篇以上(影响因子>5),申请专利5-8项;培养研究生20-30名,优秀青年人才1-2名。