适应旱作水稻种植过程中支持根系生长的土壤脂质和氨基酸代谢

《Applied Soil Ecology》：Soil lipid and amino acid metabolism in adapting dryland rice cultivation to support root growth

　　

摘要

旱地水稻种植（DR）中长期持续的干旱胁迫会恶化土壤生物特性，而优化土壤脂质和氨基酸代谢有助于维持土壤生物特性，从而支撑土壤质量和根系功能。旱地水稻种植系统通常采用耐旱或高产品种来保障产量，但这两类品种对土壤脂质和氨基酸代谢的影响尚不清楚。因此，本研究考察了旱地水稻种植中高产水稻（黄华占，HH）和耐旱水稻（汉优73，HY）品种对土壤脂质和氨基酸代谢、相关土壤微生物以及根系抗旱能力（抗氧化活性）和扩展能力（根系分布）的影响。旱地高产稻系统（DHH）显著上调了参与脂肪酸代谢、组氨酸代谢以及缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸降解的关键土壤氨基酸和脂质（甾醇类、单萜类、二萜类和脂肪酸）。DHH还富集了特定的土壤细菌（Xanthobacteraceae、Acidobacteriales、Pedosphaeraceae、Gemmatimonadaceae、Acidothermus、Candidatus_Solibacter和Candidatus_Koribacter）和真菌（Stygamoeba regulata、Paraglomus occultum、Conidiobolus lamprauges、Dacrymycetes sp、Mrakia frigida和Dictyamoeba vorax），这些微生物与土壤氨基酸和脂质代谢相关。旱地耐旱稻系统（DHY）增强了包括甘油脂质、脂肪酸、鞘脂和甘油磷脂在内的土壤脂质，并富集了细菌（Cloacibacterium、Pedobacter、Mycobacterium、Micromonosporaceae、Ensifer和Roseiflexaceae）和真菌（Glomeromycotina sp、Funneliformis mosseae、Soil amoeba AND16和Geosmithia），这些微生物参与脂肪酸、鞘脂和亚麻酸代谢。相关分析和主成分分析（PCA）表明，DHH中富集的土壤代谢物、细菌和真菌与根系扩展的关键指标呈正相关，而DHY中的富集微生物则与过氧化物酶活性增强相关。总体而言，DHH增强了土壤脂质和氨基酸代谢，而DHY维持了土壤脂质代谢；两者均支撑了土壤系统功能和根系功能，但DHY在旱地条件下更有效地保持了土壤生物功能和根系性能。本研究为推进旱地水稻种植、改善土壤质量和维持水稻产量提供了有价值的策略。

引言

水稻（Oryza sativa L.）是全球近50%人口的主食，全球超过85%的水稻通过淹水稻作方式生产，消耗约50%的农业总用水量（Chen等，2021；Yan等，2021）。然而，气候变化导致许多水稻种植区干旱的频率、持续时间和严重程度增加（Brown等，2021）。水稻生态系统对长期干旱高度脆弱，凸显了发展更具韧性的水稻生产系统的紧迫需求（Dodd等，2021）。干旱胁迫诱导活性氧的产生，破坏细胞稳态并损害蛋白质、DNA、碳水化合物和脂质。它还阻碍地上生长、根系发育、植物代谢和水稻产量（Ibrahim等，2019；Yadav等，2021）。虽然已有大量研究关注地上部分的干旱响应，但地下过程的机制仍知之甚少（Tardieu等，2018；Ji等，2023）。根系作为直接暴露于干旱的主要器官，与土壤微生物群落和物理土壤基质之间存在复杂相互作用（Brown等，2021）。因此，理解土壤生物和物理化学性质（包括微生物和次生代谢物）及其与根系性状的关联，对于维持功能良好的土壤系统以支撑水稻抗旱性至关重要。

土壤微生物和次生代谢物在土壤储库（例如脂肪酸、酰基甘油和甾醇脂质以及氨基酸）中发挥关键作用（Wu等，2020b），它们直接为干旱条件下的根系功能提供支持（Brown等，2021）。膜是干旱诱导降解的主要靶标，膜脂质含量的降低与土壤微生物和根组织脂质生物合成的抑制相关（Sánchez-Martín等，2018）。脂质在干旱胁迫期间对渗透调节、能量储存和信号传导至关重要。脂质通常包括脂肪酸、甘油酯、鞘脂（如鞘磷脂和糖脂）和甾醇类，是干旱胁迫激活的复杂响应网络的一部分，有助于减少土壤微生物和根组织中的活性氧（Sánchez-Martín等，2018；Brown等，2021）。有益微生物（如放线菌门、子囊菌门、酸杆菌门和球囊菌门）基于土壤脂质特征被招募，从而增强根系抗旱能力（Ji等，2023）。磷脂、脂肪酸和甘油三酯常被用作土壤质量和微生物对干旱响应的指标（Ding等，2020）。除脂质外，氨基酸积累可增强根系和土壤微生物的抗旱性（Ji等，2023）。氨基酸构成蛋白质结构，同时也作为根系和微生物组织中的信号分子，调节生理功能以增强其耐旱性（Batista-Silva等，2019；Haghighi等，2022）。它们还作为组织和土壤微生物中次生代谢物和生物合成产物（如精氨酸）的前体，对抗干旱胁迫（Batista-Silva等，2019；Ji等，2023）。在干旱胁迫下，γ-氨基丁酸、β-丙氨酸、鸟氨酸、谷胱甘肽和硫氨素等游离氨基酸含量增加，在根组织中充当抗氧化剂和渗透保护剂（Yadav等，2021）。氨基酸及其代谢通路，特别是在植物根系和根际的毫米和微米尺度上，支撑着土壤微生物活性和植物-微生物互作（Kakumanu等，2019）。土壤微生物通过产生基于氨基酸的渗透调节物质（如脯氨酸和谷氨酸）来响应干旱，这些物质占细菌细胞干重的50%，支撑微生物对水分亏缺的适应（Haghighi等，2020）。氨基酸从细胞膜渗出并产生胞外多糖和胞外聚合物，支撑微生物（如黏细菌）对干旱胁迫的适应（Kakumanu等，2019）。此外，丛枝菌根真菌通过促进氨基酸生物合成来增加胁迫耐受性，增强其在干旱条件下的适应性响应和根系生长（Batista-Silva等，2019；Ji等，2023）。品种选择也会影响土壤微生物群落的形成，从而影响抗旱适应。特定的土壤细菌类群，包括Flavobacterium、Microbacterium、Pantoea、Serratia、Klebsiella和Kosakonia，通过调节植物胁迫响应来增强旱作水稻品种的抗旱性（Ding等，2019；Xu和Coleman-Derr，2019；Pang等，2020）。真菌如Penicillium sp.、Talaromyces purpureogenus、Talaromyces flavus、Aspergillus aureolus、Penicillium limosum和Talaromyces purpureogenus可缓解旱作水稻品种在干旱期间的根系氧化胁迫（Pang等，2020）。此外，土壤中Conexibacter、Gaiella、Marmoricola和Nocardioides丰度的增加可上调土壤氨基酸积累，维持抗旱品种在干旱条件下的根系渗透调节（Li等，2023）。脂质和氨基酸不仅是能量底物或结构组分，还作为信号分子协调干旱胁迫下的植物-微生物通讯。例如，根系渗出的脂肪酸可作为有益根际细菌的趋化吸引子，而某些氨基酸（如谷氨酸和天冬氨酸）可触发微生物类群的趋化响应并调控参与生物膜形成和胁迫耐受的细菌基因表达（Haghighi等，2020）。总之，土壤脂质和氨基酸对于辅助土壤微生物和植物-微生物互作以抵抗干旱至关重要，为进一步提高产量提供了启示。

鉴于淹水条件下的高甲烷排放，加之干旱频率增加和抗旱水稻品种的进展，旱地水稻种植（DR）已获得关注（Chen等，2021；Feng等，2021）。旱地水稻种植依赖于在低土壤水势条件下进行机械或人工直接播种，随后依赖降雨而非主动灌溉（Zhang等，2019）。该体系通常使水稻遭受长期干旱（Chen等，2020），对产量产生负面影响（Cao等，2022）。为避免严重减产，旱地水稻种植通常采用耐旱品种或高产品种。耐旱品种依赖增强的抗旱机制，如提高抗氧化酶活性和渗透调节能力，来维持产量（Chen等，2020）。高产品种通过在旱地条件下具有更大的叶面积或更广泛的根系来维持产量水平（Chen等，2020）。目前尚不清楚旱地水稻种植中采用高产或耐旱品种是否会部署不同的脂质和氨基酸代谢物组合来招募功能不同的微生物群落，以及这种招募是否会转化为对根系形态或生理性状的差异性影响。因此，我们假设旱地水稻种植中采用耐旱或高产品种可维持脂质和氨基酸代谢，并富集参与脂肪酸和氨基酸代谢的土壤微生物，从而支撑土壤质量和根系功能。为检验这一假设，本研究通过整合分析土壤微生物组、代谢组学、根系生长性状、活性氧和抗氧化酶活性，探索脂质和氨基酸代谢、参与这些过程的土壤微生物富集以及根系抗旱能力和扩展能力之间的关系。研究结果将推进对旱地水稻系统中代谢物-微生物互作如何支撑根系适应的机制性理解，最终为进一步提高产量提供策略指导。

分节摘要

实验地点

田间试验于2019年和2020年在中国湖北省华中农业大学（E114°29′，N30°29′）的防雨棚下进行。该棚长35米、宽25米、高5米，覆盖透明聚乙烯薄膜，以在水稻生长季节阻挡降雨。水稻种植前耕作层土壤的养分含量和土壤物理化学性质见补充材料S1（表S5）。地下水位为

根系性状：根长（RL）、根系表面积（RSA）、超氧阴离子（O??）、过氧化氢（H?O?）、超氧化物歧化酶（SOC）和过氧化物酶（POD）活性

根长（RL）和根系表面积（RSA）主要由RL1、RL2、RL3和RSA1、RSA2、RSA3这几个级别贡献，分别占总根长的98–99%和总根系表面积的84–89%（表1和表2）。RL2和RSA2在处理间存在显著差异（P < 0.05）。在DHH中，RL2和RSA2仅略低于淹水高产品种（FHH），但分别比淹水耐旱品种（FHY）高6.9%和7%，比旱地耐旱品种（DHY）高50.5%和47.2%。这表明高产品种具有优越的RL2和RSA2

脂质和氨基酸代谢物支撑根系抗旱能力和功能

在本研究中，DHH上调了多种脂质，包括甾醇类、单萜类和二萜类以及脂肪酸和氨基酸，与其他处理相比（图1）。这些脂质和氨基酸可能促进了土壤碳氮过程及生物质量，增强了DHH中的根系扩展（RL2和RSA2）（表1，图6）。土壤脂质是多样的、普遍存在的化合物，在支持土壤微生物和作为能量储存方面发挥重要的生物学作用

结论

本研究强调了在旱地水稻种植系统中实施HH和HY品种对土壤脂质和氨基酸代谢的影响。其目的是确定土壤脂质和氨基酸如何维持土壤生物质量以增强旱地水稻根系的抗旱能力和扩展能力。DHH富集了土壤脂质（包括甾醇类、单萜类、二萜类和脂肪酸）和氨基酸，以及参与的关键细菌（Xanthobacteraceae、Acidobacteriales、Pedosphaeraceae和Candidatus Solibacter）

CRediT作者贡献声明

李学飞：撰写——初稿、可视化。曹敬涵：调查研究。于子由：调查研究。黄越：调查研究。曹凑贵：构思。陈宗奎：撰写——审阅与编辑、方法学、构思。李平：撰写——审阅与编辑、构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究得到了四川省博士后创新创业人才基金计划（BX202207）、国家自然科学基金（32401947）、国家重点实验室青年科学家计划（SKL-QZYB202604）、中国博士后科学基金（2022M722301）和四川省自然科学基金（2023NSFSC0014）的支持。

李学飞 | 曹敬涵 | 于子由 | 黄越 | 曹凑贵 | 陈宗奎 | 李平

华中农业大学植物科学技术学院，湖北武汉，430070，中国