干旱胁迫下籼稻与粳稻根际微生物群落组装机制解析及其对产量稳定性的调控作用

《Microbial Ecology》：Community Assembly Mechanisms Underlying Divergent Responses of Indica and Japonica Rice Rhizosphere Microbiota to Drought Stress

本研究针对干旱胁迫导致水稻减产的关键问题，通过田间试验系统解析了籼稻和粳稻根际微生物群落对水分限制的响应差异。研究发现粳稻根际富集了更多有益微生物（如链霉菌属Streptomyces和硝化螺菌科Nitrososphaeraceae），其微生物网络稳定性更高，且与氮代谢功能增强显著相关，这为粳稻在干旱条件下维持产量稳定性提供了微生物学证据。该成果为通过调控根际微生物组提升作物抗旱性提供了新策略，对可持续农业具有重要指导意义。

　　

随着全球气候变化加剧，干旱已成为限制农业生产的最主要环境因子之一。作为养活近半数世界人口的主粮作物，水稻对水分胁迫尤为敏感，平均减产幅度高达25%。更复杂的是，亚洲栽培稻中存在籼稻（Oryza sativa subsp. indica）和粳稻（Oryza sativa subsp. japonica）两大亚种，它们不仅在遗传背景和形态特征上存在差异，对环境胁迫的响应机制也可能截然不同。传统观点认为籼稻因长期生长在雨养环境中更具抗旱性，但近年田间观测却显示粳稻在特定干旱条件下反而表现更优，这背后的机理一直成谜。

植物根际微生物组作为“第二基因组”，在帮助宿主抵抗非生物胁迫中扮演着关键角色。微生物通过参与碳氮循环、产生植物激素等途径直接或间接影响作物生长，而宿主也通过根系分泌物主动招募有益微生物构建抗逆型群落。然而，干旱胁迫如何影响籼粳稻根际微生物群落结构？这些微生物如何通过互作网络支撑水稻产量稳定性？这些问题尚未得到系统解答。发表于《Microbial Ecology》的最新研究通过精细的田间试验设计，首次揭示了籼稻与粳稻根际微生物群落对干旱胁迫的差异化响应机制。

关键技术方法

研究团队在上海庄行综合试验站设置了籼稻与粳稻各12个品种的田间试验，分别实施充分灌溉（土壤水势-30–0 kPa）和亏缺灌溉（关键分蘖期后水势降至<-500 kPa）两种处理。收获期测定每穴产量、结实率、饱粒数和千粒重等农艺性状，并采集根际与本体土壤样本。通过16S rRNA基因测序（V4区引物515F/806R）解析微生物群落结构，利用DADA2算法生成扩增子序列变异（ASV），基于SILVA数据库进行物种注释。采用FAPROTAX预测功能潜能，通过共现网络（Spearman相关性|ρ|>0.65）和iCAMP模型分析群落组装过程，结合Mantel检验关联微生物 taxa与产量指标。

研究结果

1. 水分限制对籼粳稻产量形成的影响存在基因型差异

干旱胁迫显著降低了两类水稻的每穴产量、饱粒数和千粒重（P<0.05），但粳稻的结实率和千粒重在干旱下降幅更小。尤其在亏缺灌溉下，粳稻千粒重（23.91 g）显著高于籼稻（18.46 g）（P<0.05），表明粳稻具备更强的籽粒灌浆稳定性。

2. 根际微生物群落结构受水分管理与水稻亚种双重调控

主坐标分析（PCoA）显示灌溉制度是驱动微生物群落变异的首要因素（R²=0.360），其次为水稻亚种（R²=0.016）。粳稻根际在干旱下富集了链霉菌属（Streptomyces）、微小杆菌属（Microvirga）和硝化螺菌科（Nitrososphaeraceae）等有益菌群，而籼稻根际则以鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）为主。这些差异与宿主根系分泌物调控的微生物招募策略密切相关。

3. 粳稻根际微生物网络在干旱下具有更高稳定性

共现网络分析表明，干旱使籼稻微生物网络的连接数减少93.12%，而粳稻仅降低54.96%。粳稻网络中的关键类群（如硝化螺菌科、黄杆菌属Flavisolibacter）更多样，且模块内连接度更高，说明其微生物互作体系对抗干扰能力更强。

4. 群落组装机制揭示粳稻根际微生物响应更具确定性

iCAMP模型分析显示，干旱胁迫提高了均质化选择（homogeneous selection）对粳稻微生物组装的贡献，而籼稻则以扩散限制（dispersal limitation）等随机过程为主。这种机制差异可能是导致两类水稻根际功能冗余度不同的内在原因。

5. 关键微生物类群与产量性状显著关联

Mantel检验证实链霉菌属、微小杆菌属与粳稻的饱粒数、千粒重呈正相关（P<0.01），而籼稻的产量则与芽孢杆菌属（Bacillus）等更密切。这些微生物通过固氮、硝化等功能直接参与氮素循环，支撑籽粒发育。

结论与意义

本研究首次从微生物群落组装视角揭示了粳稻抗旱性优于籼稻的机制：粳稻通过根系招募链霉菌属、微小杆菌属等有益菌群，构建高稳定性互作网络，并强化氮代谢功能（如硝化、固氮），从而缓解干旱导致的氮素吸收障碍。该发现突破了传统遗传育种框架，为通过微生物组工程培育抗旱水稻提供了新靶点。通过调控根际微生物组实现“节水-稳产-减排”协同目标，对应对全球水资源短缺及粮食安全挑战具有重要实践价值。