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2:根系-土壤-微生物的协同作用机制与氮磷生物有效性

课题2:根系-土壤-微生物的协同作用机制与氮磷生物有效性

核心科学技术问题:

  1. 根系-土壤-微生物是如何形成三维自组织结构的?
  2. 根系-土壤-微生物的互作是如何驱动土壤-微生物-根-茎界面养分转化和转运的?
  3. 影响根际土壤微生物协同作用的因素有哪些?

 

解决问题的思路与方法:

思路:本课题将地上-地下生态系统的养分转运过程划分为四个关键界面过程:根际土壤-微生物界面(离根表面2-3 mm内的土壤和离根表1-20 cm的土壤团聚体)、根系-微生物界面(根系与根内及根表微生物系统)、地下-地上界面(作物根系与茎叶部形成的养分传输界面)。在定量分析氮磷养分在土壤-根系-微生物界面的转化迁移库容和速率的基础上,首先针对根际土壤微生物体系,利用长期旱地(黑土、潮土、红壤)和水稻土(黄泥田,红泥田和赤红泥田)试验的不同氮磷施肥处理,研究根际土壤微生物组成和网络结构对根际分泌物和团聚体性质的响应规律,揭示根际土壤微生物协同结构对土壤氮磷养分的转化的驱动机制;然后针对根表微生物体系,研究不同作物品种(不同氮磷转运效率和不同根际构型)根系-微生物共生和非共生体系形成机制,探明根系-微生物协同互利作用对养分迁移的驱动机制;最后针对植物养分在根-茎体系的转运,系统研究在不同养分需求和供给条件下,作物关键调控基因的协同作用对根-茎吸收和转运氮磷养分的驱动机制。基于氮磷迁移界面过程的研究,集成根际土壤微生物协同作用机理,建立作物根茎氮磷协同高效转运的分子模型。

方法:基于土壤学-地球化学方法(同位素示踪、扫描电镜、模型模拟)、分子生物学方法(荧光原位杂交、高通量测序、基因芯片、转基因技术)和植物营养学方法(根室模拟、根际切片、质谱分析),以长期田间定位试验为主,针对主要作物系统(玉米和水稻),研究高效养分利用状况下根际土壤团聚中微生物协同作用机制;然后以室内模拟试验为主,针对主要作物系统(玉米和水稻)和辅助作物(大豆),研究根系—微生物交互作用和根茎氮磷转运调控基因的协同作用对氮磷生物有效性的影响机制。

 

主要研究内容: 

1. 根际土壤—微生物协同作用对NP养分转化迁移的驱动机制

基于长期施肥试验的不同养分供应处理(不施肥、NPK、NPK配施有机肥),针对典型旱地(黑土、潮土、红壤)和水稻土(黄泥田,红泥田和赤红泥田),以玉米和水稻为研究作物,系统研究根际土壤各粒径团聚体的组成比例、NP养分含量及分布、NP固定和转化速率的变化规律;通过磷脂脂肪酸图谱(PLFA)、稳定性同位素核酸探针(DNA/RNA-SIP)等分析方法,分析各粒径团聚体中不同微生物生物量对土壤NP养分转化的响应和反馈机制;基于荧光原位杂交技术、高通量测序(454/Ilumina)技术,研究不同团聚体内微生物特有优势菌群和共有菌群特征,阐明交互作用对团聚体NP养分协同转化的生物驱动机制;基于随机矩阵理论,构建微生物系统发育/功能分子生态网络,分析驱动NP高效转化的关键微生物以及微生物网络结构特征。

基于模拟试验,结合同位素标记和根际切片技术,针对主要作物(玉米、水稻),研究不同根际构型和氮磷转运效率品种的作物根际NP养分积累、扩散和迁移转化特征;以根系分泌物为核心,分析根际分泌物的根系分泌物(剥落物)组成及其在根际分配对根际土壤NP养分的活化作用,揭示根系活化和吸收养分的互反馈机理和网络作用途径;通过磷脂脂肪酸(PLFA)、荧光原位杂交技术、稳定性同位素核酸探针(DNA/RNA-SIP)、高通量测序(454/Illumina)技术,揭示根际分泌物对根际土壤微生物组成和活性的影响,阐明根际土壤-根系耦合作用对养分转化的协同增效机理。

2. 根系-微生物交互作用对NP养分吸收转运的驱动机制

采取田间和室内模拟试验相结合的研究手段,选取典型的酸性和石灰碱性土壤,设置不同氮磷供应水平的试验,筛选N、P利用效率和根构型差异显著的玉米和水稻、大豆为材料。根据微生物分泌刺激根系生长的物质(如:IAA等)、微生物对土壤理化性状变化(酸碱性、养分有效性缺乏等)的适应性、固氮酶活性、丛枝菌根侵染率等,筛选抗逆性好、优势微生物(如丛枝菌根真菌、固氮菌/根瘤菌)。接种前期筛选得到的优势共生和非共生微生物,收集不同土层根系、根表和根际微生物,测定不同土层根系形态特征及其生理活性,通过HPLC和GC-MS等方法分析分析根际分泌物组成,了解分泌物在根际间的分配规律,揭示根系生长和代谢与微生物组成演变的互反馈机理;同时,分析微生物体内氮磷形态(如多聚磷、酰尿、氨基酸等),确定微生物向作物根系运输氮磷的主要形式。通过同源克隆的方式,克隆大豆和玉米中可能参与微生物氮磷形态运输的重要基因。采用定量PCR研究接种优势微生物对其在根系的表达模式,获得该基因超量或抑制表达的作物,研究根系对优势微生物运输氮磷的影响。解析作物根系和微生物协调的分子机制。进行相关的功能分析解析作物根系-微生物协调作用对NP养分吸收的驱动的分子机制。

3. 根-茎吸收转运氮磷的分子协同机制

针对主要作物水稻、玉米,通过室内培育模拟土壤N、P供应不足及地上部强烈需求(旺盛生长期)条件,研究其驱动下的根—茎N、P吸收和传输机制。收集茎部伤流液测定其通量动态和N、P含量;利用已知的AMT(NH4+转运体)、NT(NO3-转运体)、PT(Pi转运体)基因序列,借助实时定量PCR技术监测由根尖至茎叶等关键吸收、转运部位中各类转运基因的丰度及其对N、P条件的时空响应特征。对其中有重要响应的基因进行克隆,通过酵母功能互补或电生理研究平台进一步解析关键节点基因的功能特征及其外部调控规律。借助模式植物材料构建过表达和基因沉默(或K/O)遗传材料,验证同系列转运系统在不同空间(组织部位)和时间(生育期)尺度上的协同特征。

选择喜铵作物水稻模拟根外N、P过量供应状况,研究地上部N、P储备(奢侈吸收积累)特征及其驱动机制。利用铵、硝电极测定叶部液泡中的储备特征与动态;通过生化测定研究N、P同化过程中关键酶的活性;利用实时定量PCR技术研究编码关键酶的基因在转录水平上的时空响应特征;富集、纯化叶部液泡组分,监测并克隆定位于液泡膜的铵(硝)转运体基因;通过电生理和酵母功能互补技术平台研究液泡贮备载体的功能和调控机制;借助模式植物构建过表达和基因沉默(或K/O)遗传材料,验证其在N储备方面的功能及其对N吸收利用效率的贡献和调控机制。

 

方向设置与团队分工:

本课题设置4个方向,分别设置一个子课题。

子课题1:根际土壤-微生物协同作用对氮磷转化迁移的驱动机制,负责人为中国科学院南京土壤研究所孙波研究员;

子课题2:根系-微生物交互作用对氮磷吸收转运的驱动机制,负责人为华南农业大学廖红教授;

子课题3:根-茎吸收转运氮磷的分子协同机制,负责人为中国科学院南京土壤研究所马建锋教授。

 

年度目标:

年度 年度目标
2014 课题调研、具体方案设计、完善试验条件;完成长期不同施肥处理下的采样;完成不同作物品种的野外小区试验设计和室内模拟试验布置,全面开展根际土壤—微生物协同作用和根系—微生物交互作用对NP养分转化迁移的驱动机制,以及NP养分在根—茎吸收转运的分子驱动机制。
2015 针对典型土壤和主要作物系统,定量分析氮磷养分在土壤—根系—微生物界面的转化迁移库容、速率和氮磷养分形态的影响;分析团聚体中微生物生物量对土壤NP养分转化的响应和反馈机制;研究根际构型和氮磷转运效率品种的作物根际NP养分积累、扩散和迁移转化特征;分析根际分泌物的根系分泌物组成及其在根际间分配,揭示根系生长和代谢与微生物组成演变的互反馈机理;研究NP吸收转运通量和储备库容的变化特征。
2016 研究根圈土壤团聚体中微生物网络结构及其对氮磷养分转化的协同驱动机制;研究根系与根际土壤的交互作用对NP养分转化的驱动机制;揭示根系生长和代谢与微生物组成演变的互反馈机理;确定微生物向作物根系运输氮磷的主要形式;阐明调控NP吸收和储备关键基因在转录、蛋白及PTM调控的分子机制。
2017 以根—微生物互利体系为核心,研究根—微生物的耦合作用对养分迁移的驱动机制,明确微生物向作物根系运输氮磷的主要形式;最后在不同养分需求和供给条件下,研究不同作物品种中关键调控基因的协同作用对根—微生物互利的驱动机制和根-茎吸收和转运氮磷养分的驱动机制;研究地上—地下部基因定向调控对根系供应和茎叶积累/分配的影响,构建根茎NP协同高效的分子模型。
2018 基于三个界面的研究,集成提出根际土壤微生物协同作用的调控机理,建立作物根茎氮磷协同高效的分子模型。
五年成果
具体体现
明确NP养分转化迁移的土壤—微生物—根—茎界面的生物作用过程;揭示不同界面NP养分转化速率和库容的演变规律和微生物驱动机制;阐明典型气候—土壤类型区实现NP养分高效利用的土壤微生物耦合的结构特征;氮磷高效利用相关的基因5-7个;为作物NP高效利用提供基于生物功能调控的理论基础;发表高水平SCI论文15篇以上(影响因子>5),具有国际影响力的高水平论文1-2篇。申请专利2-3项;培养研究生20-30名,优秀青年人才1-2名。