氮高效补偿下籼稻与粳稻根际微生物组与氮代谢协同机制解析及其精准施氮策略

本研究针对水稻氮肥利用率低下的关键问题，通过整合宏基因组学与生理学分析，揭示了籼稻(Yangxianyou 918)和粳稻(Suxiu 867)在分蘖期缺氮后高效补偿(分别为12天和18天)的差异化响应机制。研究发现优化补偿显著提升可溶性蛋白(Cpr)、谷氨酰胺合成酶(GS)等关键酶活性，并通过Chloroflexi(籼稻)与Actinomycetia(粳稻)等特异微生物群落重构氮循环效率，最终使籼稻补偿组产量提升51.31%，氮农学效率(NAE)达6.15%，为品种特异性氮肥管理提供了理论依据。

　　

在当今全球粮食安全面临挑战的背景下，水稻作为主要口粮作物的氮肥利用效率问题日益凸显。尽管氮肥是水稻高产的关键因素，但传统施肥方式常导致利用率不足35%，不仅造成资源浪费，更引发严重的面源污染。更棘手的是，长期观察发现籼稻和粳稻两大亚种对氮肥的响应存在显著差异，但背后的根际微生物-宿主协同机制始终未能阐明。这一科学盲区严重制约了精准施肥技术的发展，也使得"减肥增效"的绿色农业目标难以实现。

扬州大学江苏省作物遗传生理重点实验室的研究团队在《Rice》发表的最新研究，通过创新性地设置分蘖期氮缺失与高效补偿时序实验，结合宏基因组学和生理指标测定，首次系统揭示了籼粳稻氮响应差异的根际生物学机制。研究人员设计10种处理方案，包括常规施肥(CK)、持续供氮(N1)、双倍施氮(N2)以及分蘖后12天(籼稻)或18天(粳稻)的高效补偿处理(N5/N7为常规补偿，N6/N8为双倍补偿)，采用桶栽试验模拟大田条件。通过测定产量构成、氮代谢酶活性、干物质分配等农艺性状，结合Illumina NovaSeq 6000平台宏基因组测序(平均数据量7.1 Gb/样本)，运用LEfSe分析、Mantel检验等方法解析微生物群落与宿主互作网络。

关键技术方法包括：1) 建立分蘖期氮缺失与生殖生长期补偿的时序处理体系；2) 采用BCA法测定Cpr含量，可见分光光度法检测GS、GDH等6种氮代谢酶活性；3) 基于Illumina NovaSeq 6000平台开展PE150宏基因组测序，通过MEGAHIT组装和eggNOG/KEGG数据库注释功能基因；4) 运用LEfSe分析识别品种特异性生物标记物(如籼稻的Noviherbaspirillum和粳稻的Bacillus)。

产量形成与氮利用效率
补偿处理使籼稻N6_9处理单株产量(YPP)较常规施肥提升51.31%，氮农学效率(NAE)达6.15%，显著高于粳稻N8_8处理的3.67%。表型分析显示，籼稻通过增加有效穗数(EPP)和每穗粒数(NGPP)实现增产，而粳稻则依赖干物质向穗部转运效率提升(成熟期穗干重增加592.17%)。

氮代谢酶活性响应
高效补偿显著激活氮同化关键酶：籼稻N6_9处理的谷氨酸合成酶(GOGAT)活性较对照提升37.33%，粳稻N8_8处理的谷氨酸脱氢酶(GDH)活性增加62.57%。值得注意的是，土壤脲酶(S-UE)活性在双倍补偿处理中呈现"先升后降"趋势，暗示过量施氮可能抑制微生物功能。

微生物群落重构
Circos分析发现籼稻根际特有Noviherbaspirillum(相对丰度>0.3%)，其通过硝化作用促进NO₃^-供应；粳稻则富集Bacillus，通过分泌有机酸溶解NH₄⁺。LEfSe鉴定出籼稻补偿组的Herbaspirillum(LDA=4.8)和粳稻组的Aquabacterium(LDA=5.2)为关键生物标记物。

微生物-宿主互作网络
Mantel检验揭示籼稻中Chloroflexi与GDH活性显著相关(r=0.82, P<0.01)，而粳稻Actinomycetia与GOGAT呈现强关联(r=0.79, P<0.05)。这种差异反映了籼稻偏向硝态氮吸收、粳稻倾向铵态氮利用的进化适应策略。

该研究首次从根际微生物-宿主协同进化视角，阐明了籼粳稻氮响应差异的生物学基础。实践层面，确立的分蘖后12天(籼稻)和18天(粳稻)高效补偿窗口，为"前控后促"施肥技术提供了精确时序标尺。理论层面，发现Noviherbaspirillum-Bacillus的功能分化完美解释了籼稻NRT1.1B(硝态氮转运蛋白)与粳稻AMT(铵转运蛋白)基因的表达偏好，填补了基因型-微生物型互作机制的认知空白。值得注意的是，研究警示双倍补偿虽能提升粳稻产量，但会导致微生物多样性下降15.05%，这对平衡高产与生态可持续提出了新课题。这些发现为发展品种定制化施肥方案奠定了理论基础，对实现"减氮20%不减产"的农业绿色发展目标具有重要指导价值。