酸性土壤(pH < 5.5)由于其低 pH导致铝的溶解度高，造成铝毒胁迫。其中，AI3+ 会对植物造成较大的毒害，主要体现在细胞结构、根系和光合作用等方面造成不同程度的损伤、阻止植株的正常生长发育。在酸铝土壤中微生物是否以及如何增强作物对铝毒的抗性仍有待探索。这项研究主要探究利用单细胞拉曼技术开发的SynCom在酸铝土壤中的促生机制。研究表明，SynCom能显著降低根系铝含量并提高水稻产量。SynCom主要通过表面有机阴离子官能团与质子相互作用的质子化过程来缓解环境胁迫。此外，SynCom可以增加根际溶磷细菌的丰度，促进磷的转化和利用，实现磷的有效周转，进而诱导水稻侧根发育。本文系统研究了铝胁迫下SynCom对水稻生长发育的影响及对铝毒的生理调控机制，分析水稻根际土壤微生态变化，并提供了改良水稻生长铝胁迫环境的科学依据。耐铝细菌的筛选及合成菌群的构建
为了开发高效的耐铝SynCom，作者从生长于田间酸性土壤南粳稻根际中分离获得了421株细菌。采用单细胞拉曼技术筛选12株代表性的耐铝菌株。通过平板实验和盆栽试验进一步筛选获得.Rhodococcus sp. 和Pseudomonas sp为耐铝菌株的合成菌群，简称为RP；
图1 SynCom对铝毒性酸性胁迫下水稻生产性能的促进作用示意图
合成菌群促进水稻生长，减轻铝毒性
为了探究RP的促生效应，作者采用酸铝土壤，评价了RP对水稻的促生效果和产量的影响；结果表明，在酸铝土壤条件下接种RP可以显著提高水稻生育期的株高、叶片叶绿素含量和成熟期的籽粒产量。为了验证RP在根际定殖并发挥促生作用，采用qPCR技术在盆栽试验中证实，RP都能在水稻根际稳定定殖，并在拔节和抽穗期丰度显著增加。同时，透射电子显微镜和X-射线能量色散能谱显示，接种RP后，盆栽试验收集的根组织中Al3+含量降低了。
图2 不同处理条件下接种SynCom对水稻根系结构的影响
a-c.南粳46在田间(a、b)和盆栽试验(c) 不同生育期中的表型和籽粒产量。d.通过透射电镜观察AI在水稻根系中的分布。红色“a”代表细胞间物质，红色“b”代表AI,红色“c”代表细胞壁。
合成菌群对水稻根系构型的影响
为了进一步探讨RP在不同土壤上的促生效应，作者采用酸铝和非酸铝土壤种植水稻并测定了相关指标；结果表明，接种RP在酸铝和非酸铝土壤条件下均可促进水稻侧根的形成并在一定的程度上改变根系的长度和生长方向。因此，作者推测侧根的生长可能与不同剖面土壤中铝含量及pH有关。
图3 不同处理条件下接种SynCom对水稻根系结构的影响
a.利用x射线CT技术，对南粳46土壤下的原位三维水稻根系结构进行了无损可视化。比例尺表示1厘米。b-c.CT图像上根直径、总长度和根角的差异。d.根箱法和描根法可视化南粳46原位二维根系构型。红线表示从图像中追踪到的根。e.南粳46根箱内根角的时空动态变化。f.南粳46根系角度的差异。
合成菌群降低铝毒性
为了进一步探明接种RP引起的侧根的生长是否与不同剖面土壤铝浓度以及pH值有关，作者分析了不同剖面土壤铝浓度和pH值的变化。作者采用DNA-SIP区分了代谢13C标记的根系分泌物的根际细菌群。PCoA表明，接种RP后，利用根际碳的细菌群落发生了显著变化并且微生物群落组成也发生了变化；在13C标记群落中(Al + RP vs. Al+)，根际溶磷菌Bailus、Clostridium、 Chryseobacterium和Flavobacterium的丰度增加。为了确定接种RP提高土壤pH值的可能机制，研究了P. aeruginosa的胞外质子化过程。傅里叶变换红外光谱和zeta电位的结果分析表明，细菌有机阴离子的质子化作用抑制土壤酸化的主要因素 。Pseudomonas表面丰富的有机阴离子官能团(-CO0-或-0-)与质子(H+) 相互作用形成中性分子 ，从而中和土壤pH值。表层土壤pH值的增加促进了被Al3+螯合和固定，从而降低了对植物和根际微生物的毒性。
图4 接种SynCom后土壤化学性质和细菌群落的变化
a.不同土壤剖面深度的pH和A1+浓度。b.qPCR检测SynCom定殖。红色和绿色星号(*) 表示在相同的土壤深度下，Al + RP的丰度明显高于Al +。c-e.用13C-DNA-SIP法测定SynCom对细菌群落的影响。(d) 和(e)中的蓝色和红色箭头分别表明假单胞菌和红球菌的丰度在12C-AI + RP vs.12C-AI +和13C-AI + RP vs.13C-AI +中增加。f.不同pH值下铜绿假单胞菌与质子的相互作用。
合成菌群可以促进根际土壤磷的活化
为了确定接种RP后植物改变根系构型是否与磷有效性的变化有关，在土壤不同剖面上研究了磷的形态和组分。接种RP后，表层土壤(0 ~ 4 cm)中的有机磷和残留磷含量分别下降，而有效磷含量在该深度没有显著差异。这意味着表层土壤中的有机磷和残留磷被更多地转化为有效磷，可供植物和微生物利用。通过原位酶活性分析结果发现，RP显著提高了ALP活性，并在一定程度上恢复了ACPs的活性。phoD基因被认为是土壤中编码ALP的关键基因。比较AI和AI+AI3+中携带phoD细菌的组成，发现作为最丰富的携带phoD分类群，Pseudomonas在SynCom接种后相对丰度得到增加
图5 在AI毒性酸性胁迫下，SynCom的定植有助于水稻获得表层土壤中的磷
a.不同土壤剖面深度下磷的不同形态和组分。Po代表有机磷。b.AI +和AI + RP处理下表层土壤微生物群落的溶解残留磷能力。c.根际原位磷酸酶活性。d.根际土壤中前15位phoD细菌属。红色箭头表示与Al +相比，假单胞菌属的丰度在AI + RP增加了。e.在0 mM, 0.1 mM和1.0 mM条件下(30°C) ，通过透射电镜图像和拉曼光谱观察R. erythropolis中polyP的形成。
根际微生物与水稻之间的“C-P”交换
表层土壤中较丰富的磷与浅根类型促进了水稻植株的磷转运。OsPHO1;3和OsPHO1;1在叶片中的表达显著增加， OsPHO1;3和OsPht1;2在根中的表达显著增加。据报道，OsPht1;2基因对磷酸盐从根到芽的长距离运输至关重要。发现，SynCom显著降低了磷的根冠比。此外，NRAT 1表达的增加有助于水稻对铝的抗性。NRAT1是一种质膜定位的铝转运蛋白，能够将Al3+隔离到液泡中。与此同时，促光素基因PHOT1a、光敏色素基因PHYA和PHYC以及蔗糖转运基因OsSUT4的表达显著增加。结果表明，SynCom促进了植株的光合作用和蔗糖的长距离运输，促进了根系的生长。根分泌更多的单糖供根际微生物作为碳源。因此，通过“C-P”交换，根际微生物和植物之间建立了正反馈。
图6 水稻抗铝反应增强为根系微生物群提供了更多的碳
a.SynCom促进水稻叶片和根系中磷饥饿、光合作用和铝转运体相关基因的表达。b.土壤系统中的根系分泌物。
在酸性土壤中，铝毒性严重阻碍了作物的生长，全球范围内，它仅次于干旱，成为第二大非生物性胁迫因子。本研究揭示，由从水稻根际中筛选出的高耐铝菌株构建的合成微生物菌群(RP) 能在酸性田间环境中提升水稻产量。这些RP不仅能够有效获取根际的碳资源并稳定定殖在根际，还能通过胞外质子化反应来缓解土壤的酸化和铝毒性。此外，植物与这些微生物之间的协同作用为提高表层土壤中的遗留磷(legacy phosphorus)利用率开辟了新的路径。这些发现突显了利用微生物策略在酸性土壤中推进可持续农业的巨大潜力。论文信息
原名：Root microbiota confers rice resistance to aluminium toxicity and phosphorus deficiency in acidic soils
译名：根际微生物群赋予水稻在酸性土壤中铝毒和磷缺乏的抗性
期刊：《Nature food》
DOI：org/10.1038/s43016-023-00848-0
发表时间：2023年10月
通讯作者：梁玉婷
通讯作者单位：中国科学院南京土壤所土壤与农业可持续发展国家重点实验室
