中荷AGD项目新作推荐：张福锁院士团队张俊伶课题组在《Microbiome》上发文揭示丛枝菌根真菌招募完全反硝化细菌假单胞菌缓解土壤N2O排放的机制

      2023年3月9日，中荷农业绿色发展交叉创新型人才培养项目（AGD计划）导师张俊伶课题组在《Microbiome》杂志上在线发表了题为“Mycorrhiza‑mediated recruitment of complete denitrifying Pseudomonas reduces N₂O emissions from soil”的研究论文。中国农业大学博士生李侠（现工作单位为山西大同大学）和中荷AGD项目博士生赵若桐为论文共同第一作者，张俊伶教授为通讯作者。博士生李丹丹、王光州副教授、博士生贝水宽、巨晓棠教授、博士生安然、李隆教授、瓦赫宁根大学和苏黎世大学的专家、张福锁院士以及奥胡斯大学Klaus Butterbach‑Bahl教授参与了工作。该研究揭示了丛枝菌根真菌-菌丝际微生物互作促进完全反硝化过程降低N₂O排放的机制，为挖掘和利用土壤中有益微生物资源，开发合成功能菌群调控温室气体排放提供了一条有效的途径。

       作物残体还田可以提高土壤养分，增加土壤有机碳等，是一项重要的农田管理措施。然而作物残体还田后，尤其是豆科作物收获后，在其根茬区会出现一个N₂O排放高峰，这将部分抵消豆科固氮带来的收益。因此如何降低豆科根茬区N₂O排放量，对缓解气候变化、促进农业绿色发展具有重要指导意义。丛枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi，简称AMF）可以与陆地上约80%的植物形成共生体，其纤细的根外菌丝在土壤中大量延伸生长，帮助植物吸收磷和氮等养分。本课题组前期研究发现，菌丝能通过介导反硝化过程调控土壤N₂O排放（何广等, 土壤学报, https://doi.org/10.11766/trxb201907010336; 赵若桐和李侠等, Environmental Microbiology, https://doi.org/10.1111/1462-2920.15815），但其作用机制还不清楚。

图1  试验流程图

       为系统解析AMF介导菌丝际微生物减少作物残茬区N₂O排放的机制，开展了一系列研究（图1）：首先采用盆栽试验动态监测根茬区N₂O排放，并利用荧光定量PCR、扩增子测序和宏基因组学技术，研究该区域反硝化微生物丰度和群落结构对AMF根外菌丝的响应，发现AMF根外菌丝富集了nosZ型反硝化细菌尤其是假单胞菌，形成区别于土体的细菌群落结构，增加和上调了nosZ基因丰度和表达，促进了N₂O还原过程，从而减少了蚕豆根茬区N₂O排放（减排量最高达63%）（图2，3）。

图2 两种AMF处理下斑块室N₂O排放情况

       为进一步解析AMF和菌丝际微生物互作调控N₂O排放的机制，开展了系列的纯培养试验和反硝化细菌回接试验。采用培养组学分离纯化蚕豆根茬区反硝化菌，采用毛根培养技术收集AMF菌丝分泌物，在纯培养条件下研究菌丝分泌物对完全反硝化细菌——荧光假单胞菌JL1的趋化、生长和N₂O排放的影响，发现菌丝分泌物中的羧酸盐是触发荧光假单胞菌JL1菌株 nosZ基因表达上调并减缓净N₂O排放的主要物质（图4）。显微镜下也观察到菌株JL1能牢固地粘附在AMF菌丝表面（图5）。

 

图4  体外实验中荧光假单胞菌对AMF菌丝分泌物及其主要成分的响应

图5  荧光假单胞菌牢牢粘附在AMF菌丝表面

 

       将荧光假单胞菌JL1菌株重新回接至灭菌后的残茬斑块中进行验证，发现AMF根外菌丝同样有效地减少了回接JL1菌株后残茬区N₂O排放，且在无AMF菌丝条件下添加柠檬酸后，其N₂O减排效果与原位菌丝处理相当（图6）。最后在11年的玉米/蚕豆间作试验田进行了大田取样分析，进一步验证了菌丝密度与nosZ基因丰度之间存在显著正相关性（图7）。以上研究结果表明加强AMF与菌丝际细菌之间的协同互作可以有效缓解土壤N₂O排放，为充分挖掘和利用土壤有益微生物，实现细菌与真菌之间的跨界合作减少温室气体排放提供了一条有效的途径。

 

图7  田间测定中菌丝密度、nosZ基因拷贝数及其相关性

 

       研究工作得到国家自然科学基金项目（31872182, 42007032, 41830751）的资助。赵若桐获得国家留学基金委项目资助。
 

       项目介绍：中荷农业绿色发展交叉创新型人才培养项目（AGD 计划）是由国家留学基金委资助，面向可持续、绿色生态的国家粮食安全重大战略需求，以培养多学科交叉创新、高层次复合型人才为目标的博士生培养计划。该计划依托国际智力资源和先进培养体系，中国农业大学（CAU）与荷兰瓦赫宁根大学（WUR）共建基于AGD 计划的博士生联合培养新模式，共选拔和资助90名优秀硕士生攻读荷兰瓦赫宁根大学博士学位或中国农业大学联合培养博士。AGD计划总体目标是为中国农业可持续发展的转型做贡献，从高资源投入、高环境代价的生产模式转向高养分利用效率、低环境代价的可持续集约化生产模式。项目立足曲周县（示范县），辐射华北平原至全国，探索全国农业绿色发展路径，为实现全球SDGs提供中国样板。

阅读原文：、
 https://doi.org/10.1186/s40168-023-01466-5
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 https://link.springer.com/content/pdf/10.1186/s40168-023-01466-5.pdf