抗旱小麦品种通过调控土壤真菌群落提升干旱胁迫下氮素利用效率的机制研究

《Agricultural Water Management》：Drought-resistant wheat variety shapes soil fungal communities, enhancing nitrogen use efficiency under drought stress

本研究针对华北平原水资源短缺背景下旱作小麦氮素利用效率(NUE)和作物水分生产率(WPc)提升的难题，通过两年田间试验揭示抗旱品种"石农086"在适度亏缺灌溉条件下通过塑造特异性真菌网络（如木霉属Trichoderma）增强氮矿化过程，使NUE显著提高6.83%，虽WPc降低6.92%，但证实真菌群落对灌溉制度和品种差异的响应敏感性优于细菌，为通过微生物调控提高农业水资源可持续性提供新策略。

　　

在全球气候变化加剧干旱胁迫的背景下，华北平原作为中国重要粮食产区，面临着水资源短缺与粮食安全需求的尖锐矛盾。农业灌溉消耗全球70%的淡水资源，而小麦作为养活35%全球人口的主粮作物，其生产稳定性与水资源约束之间的矛盾日益突出。尽管亏缺灌溉技术因节水潜力受到关注，但其实际应用常因作物水分效率降低、土壤退化及微生物失衡等问题面临挑战。传统研究多聚焦于抗旱基因表达（如DREB和NAC转录因子）与表型关联，却忽视了根际微生物群落互作及灌溉措施的调控效应。

为破解这一难题，研究人员在《Agricultural Water Management》发表的最新研究中，创新性地从微生物生态学角度揭示抗旱小麦品种的资源利用优化机制。通过2018-2020年在河北曲周县的两年田间试验，以抗旱品种石农086(S086)和常规品种济麦22(J22)为材料，设置越冬后不灌溉(W0)、拔节期单次灌溉75mm(W1)和拔节期+孕穗期两次灌溉(W2)三种处理，系统整合土壤微生物群落分析、共现网络建模和酶活性测定等技术手段。

关键技术方法包括：采用Illumina MiSeq平台进行16S rRNA和ITS扩增子测序分析微生物群落结构；通过随机矩阵理论构建微生物共现网络并计算拓扑特征；使用比色法测定脲酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性；基于土壤水平衡方程计算作物蒸散量(ET_c)和水分生产率(WP_c)；利用Kjeldahl蒸馏法测定籽粒氮积累量并计算氮素利用效率(NUE)。

研究结果揭示：

1. 1.
   产量与资源效率特征：与W0相比，W1和W2处理使籽粒产量分别显著提高121.29%和163.82%(P<0.05)。在W1条件下，S086的NUE较J22提高6.83%，但WP_c显著降低6.92%，表明抗旱品种在适度亏缺灌溉下优先保障氮素获取而非水分利用。
2. 2.
   微生物群落响应规律：灌溉制度和品种显著影响细菌和真菌群落组成与多样性(P<0.05)。真菌群落对品种差异的敏感性高于细菌，W1处理下S086的真菌系统发育多样性(PD)显著高于J22。抗旱品种通过改变根际环境支持更高的微生物多样性。
3. 3.
   网络结构特异性：S086在W1条件下形成最复杂的真菌网络（边数=213），高于J22（193）。关键属如木霉属(Trichoderma)通过氮矿化作用与NUE提升相关联。真菌网络的高复杂度可能为抗旱品种提供更稳定的生态功能支持。
4. 4.
   环境因子互作机制：相关性分析显示，S086中碱性磷酸酶和脲酶与多数微生物呈正相关(|r|=0.50-0.85, P<0.05)，而蔗糖酶呈负相关。Mantel检验表明WP_c与脲酶、Leotiomycetes等多个因子显著相关，揭示微生物-酶活性-资源效率的复杂调控网络。

讨论部分深入阐释了微生物介导的水氮权衡新机制。传统"气孔-氮代谢协同"模型将抗旱品种NUE/WP_c权衡归因于植物自身生理调控，本研究则发现微生物活动通过加速尿素水解导致铵离子局部积累，引发根际渗透胁迫，进而触发气孔关闭和根系形态改变等植物生理响应。这种微生物诱导的渗透胁迫可能进一步重塑真菌群落组成，形成影响植物水分状况和氮获取的反馈回路。

研究特别强调了真菌网络在抗旱适应中的核心作用。与细菌主导的快速响应策略不同，S086中观察到的真菌网络稳定性可能通过多种机制支持胁迫适应：菌丝网络增强土壤结构和水力连通性；木霉属等关键类群调节植物激素信号通路；担子菌门(Tremellomycetes)分泌胞外多糖和抗氧化物质稳定微生物生态位。这种真菌-centric的适应机制为抗旱育种提供了新方向。

该研究突破传统植物生理学框架，建立微生物功能生态学与植物资源分配策略的整合模型，为通过根际微生物组操纵提高旱作农业韧性提供理论依据。未来研究可结合宏转录组学和代谢组学技术，深入解析关键真菌类群的功能基因表达及其与植物生理的因果关联，推动微生物调控策略在可持续农业中的创新应用。