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 - 项目3:地上-地下生物群落的耦合与协同调控机理

项目3:地上-地下生物群落的耦合与协同调控机理

由中国科学院南京土壤研究所沈仁芳研究员负责。

 

总体目标

围绕提高氮磷养分利用率,协调粮食安全和环境安全的核心问题,本项目通过土壤-根系-微生物界面的信号物质释放和作用过程的研究,明确根系-微生物对话的已知信号物质和未知信号物质的作用机制、调控网络以及与氮磷吸收利用的联系;通过对土壤-根系-微生物互作过程的研究,揭示根际土壤微生物耦合结构的形成机制以及地上-地下协同作用对氮磷生物有效性的影响与互馈;通过不同气候区土壤-作物-施肥状况下的联网比较研究,明确田块尺度下主要作物氮磷高效的地上-地下协同调控机制,以及区域尺度环境和人为因子的影响;集成氮磷高效利用的土壤微生物功能调控技术,在典型农田生态系统验证;提高氮磷利用率5-8个百分点。

 

核心科学技术问题

  1. 在微观尺度下,根际微生物分泌的信号分子能够调控根系发育,促进氮磷等养分吸收,但是已知信号物质的作用途径有待深化,而大量新的信号物质有待挖掘;
  2. 在中观尺度下,土壤-根系-微生物可形成三维自组织结构,三者协同可以促进NP转化和吸收,但是其机制有待阐明;
  3. 在田块尺度上,根际激发效应可以调控氮磷利用效率,施用调节剂和生物肥可以调控作物产量,但是在宏观尺度上,信号物质和土壤功能微生物的协同增效作用仍不清楚,同时其时空演变规律和控制因子有待探明。

 

主要技术路线

本项目以水稻和玉米为主要材料,首先针对土壤-植物系统中氮磷转化、吸收和利用过程,围绕已知信号物质(AHL、独角金内酯、小分子肽、菌根因子等)在根际土壤-微生物、根际土壤-根系、根系-微生物和根系-茎等4个关键界面上的作用机制及调控网络开展深入的研究;同时,应用气相/液相色谱-质谱联用、荧光标记和“组学”技术等新兴技术,挖掘根系-微生物对话中新的信号物质,并阐明其作用机制。其次,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),利用长期田间定位试验和模拟试验平台,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,探明根系-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。最后,在我国海伦(黑土)、沈阳(潮棕壤)、封丘(潮土)、苏州(黄泥田)、鹰潭(红泥田)、福州(赤红泥田)布置田间原位试验,分别开展信号物质、功能微生物菌剂和碳水耦合等生态因子调控试验。通过同位素标记、分子标记 (DNA-SIP)、显微原位观察、代谢组学分析和高通量测序等方法,研究信号物质对作物NP吸收的时间、剂量和空间效应,揭示共生和非共生体系菌剂的剂量、协同与时空效应,探明土壤-作物-微生物协同作用的时空变化,集成地上-地下部生物功能的调控技术体系。

 

重点研究内容

  1. 根系-微生物对话的信号基础与氮磷吸收利用
  2. 根系-土壤-微生物的协同作用机制与氮磷生物有效性
  3. 氮磷高效利用的地上-地下生物功能调控与技术原理

 

预期成果与贡献

  1. 发现若干个调控氮磷吸收利用的新信号物质,揭示其作用机制;
  2. 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;
  3. 探明驱动氮磷高效转化的根圈微生物网络结构及其演变规律;
  4. 揭示形成根系-微生物互利系统的分子机制;解析根系吸收氮磷过程中重要基因的协同机制;
  5. 建立信号物质和功能微生物协同调控氮磷生物有效性的原理和技术;
  6. 构建并验证调控土壤-作物氮磷高效利用的综合管理技术;创新土壤微生物功能调控技术模式,提高氮磷利用率5-8个百分点;
  7. 发表SCI论文100篇以上,其中高影响因子(IF>5)的论文30篇以上,国际影响力的论文1-2篇,申请专利30项以上。

 

研究内容

项目3共设3个课题,重点研究我国主要农田生态系统的地上-地下生物协同调控与氮磷高效利用机理,为实现我国土壤氮磷高效利提供重要依据。具体介绍如下: