大豆-根瘤菌共生系统的遗传设计：通过宿主-共生体协同调控降低根际N2O排放

本研究针对农业土壤中N2O（强效温室气体）排放问题，通过基因改造大豆宿主（Rj2/GmNNL1）与根瘤菌（缺失nopP的B. ottawaense），构建了选择性共生体系。该体系使高N2OR活性菌株在田间竞争中占据主导（结节占有率>95%），显著降低根际N2O排放量，为可持续农业提供了创新解决方案。

　　

研究背景与意义

农业用地是全球人为N₂O排放的主要来源，这种温室气体的增温潜能是CO₂的300倍。大豆作为全球第四大作物，其与根瘤菌的共生固氮虽能替代化学氮肥，但衰老根瘤释放的氮素会通过土壤微生物的脱氮作用转化为N₂O。尽管部分根瘤菌（如B. diazoefficiens）具有N₂O还原酶（N₂OR）活性，但在田间接种时，常因土著根瘤菌的竞争而失败——后者往往缺乏nosZ基因（编码N₂OR），导致N₂O净排放。如何突破这一“根瘤菌竞争难题”，成为农业减排的关键挑战。

关键技术方法

1. 1.

   菌株筛选与改造：从日本福岛分离天然高N₂OR活性的B. ottawaense，利用Rj2大豆筛选nopP基因自发突变株（如FY2-m1）；

2. 2.

   宿主基因聚合：通过杂交将Rj2和GmNNL1（识别不同NopP效应蛋白）整合到大豆品种“Bonminori”中；

3. 3.

   竞争性接种实验：采用PCR-RFLP分析结节占有率，气相色谱法测定N₂O通量；

4. 4.

   田间验证：在NARO和东北大学田间比较接种菌株的生态适应性。

研究结果

1. 不兼容性规避菌株的构建

通过Rj2大豆接种压力，获得nopP基因插入失活的B. ottawaense突变株（如FY2-m1）。

2. 双基因大豆的共生表型

Rj2/GmNNL1大豆接种nopP缺陷菌株后，成熟结节数量显著增加。

3. 结节竞争优势

在混合接种实验中，Rj2/GmNNL1大豆的结节被FY2-m1等突变株占据率达95.3%，而对照品种仅56.1%。

4. N₂O减排效果

接种突变株的Rj2/GmNNL1大豆根际N₂O通量降低40-84%。

结论与意义

该研究首次将宿主免疫基因（Rj2/GmNNL1）与共生菌效应蛋白（NopP）的分子互作机制转化为减排工具，实现了三点突破：

1. 1.

   选择性共生：通过“基因锁-钥匙”设计，使高N₂OR活性菌株在结节中占据绝对优势；

2. 2.

   生态兼容性：双基因大豆未出现典型R基因的生长惩罚，反而提升生物量和固氮效率；

3. 3.

   田间可行性：GMA461-m4在60%结节占有率下仍显著减排，为全球大豆种植区（尤其nopP流行区）提供了普适性方案。

这项发表于《Nature Communications》的工作，为“负排放农业”提供了可推广的遗传设计范式，未来可通过适配不同土壤的土著根瘤菌NopP类型，定制区域性减排方案。