过去一个多世纪以来，化学合成氮肥在保障全球粮食供应和人口增长方面作出了巨大贡献。然而，每年生产化学氮肥所消耗的能量达农业生产总耗能的一半。同时，大量化学氮肥施用导致的土壤退化、温室气体排放和地下水硝酸盐污染等问题对环境和人类健康，以及全球粮食可持续生产都带来巨大挑战。地球上所有植物的叶片总面积高达109平方公里，植物叶表和叶内含有包括固氮菌在内的微生物细胞高达1026个，对植物的氮素供应、生长促进和生产力维持都具有重要意义。认识并利用这些微生物有可能为解决上述问题提供重要方案。
为此，朱永官院士应邀在Trends in Plant Science期刊发表了题为“Harnessing biological nitrogen fixation in plant leaves”的综述论文（Zhu et al., 2023），全面评估了叶际生物固氮对全球氮循环的贡献，并基于对12.7万个固氮菌扩增子序列的meta分析，评估了植物叶际固氮微生物的多样性特征，发现不同生态系统的植物叶内和叶表存在着丰富的固氮菌群落，主要由如鞘氨醇单胞菌目（Sphingomonadales）、根瘤菌目（Rhizobiales）、假单胞菌目（Pseudomonadales）、伯克霍尔德氏菌目（Burkholderiales）和芽孢杆菌目（Bacillales）等组成，在不同宿主植物和环境条件下有所不 同。论文进一步鉴别了植物叶际固氮微生物群落中的核心菌群为如甲基杆菌属（Methylobacterium）、鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）、芽孢杆菌属（Bacillus）、固氮菌属（Azotobacter）等，这些类群兼具有促进植物生长、提高植物抗逆境和抗病性、促进养分循环等功能，对植物健康具有重要意义。
图1. 不同生态系统中植物叶际固氮微生物的分布和驱动因子
论文同时梳理了固氮微生物适应不同生态系统和宿主植物叶际环境的生态策略，阐明了影响叶际生物固氮和固氮微生物的主要因素（图1），进一步提出了综合利用多种技术手段加快对叶际固氮微生物研究，发展基于植物微生物组策略解决农业施肥的环境负面影响的研究框架和实现途径，包括(1)向作物叶面直接接种高效的固氮菌和其他有益微生物，需要发展合适的载体和益生元物质，开发适应强和功效稳定的nano-fertilizers；(2)利用培养组学和不依赖培养的策略（如PANOMICS、单细胞组学和拉曼光谱耦合15N稳定同位素探测技术等），快速识别和表征复杂环境中的关键固氮菌群，开发适应性和稳定性更强的合成微生物菌群（SynCom）进行应用；(3)结合利用基因编辑技术（如CRISPR）等加强对固氮菌与植物叶际互作过程的理解，以设计更有效的手段调控叶际微生物组，促进生物固氮和植物健康（图2）。该研究得到了国家重点研发和自然科学基金项目的资助，中国农业大学彭静静副教授，中科院植物分子卓越中心王二涛研究员，德国马普陆地微生物研究所Werner Liesack教授等参与了该项研究。
图2 定向操控和利用叶际固氮菌微生物的研究框架和方法步骤
接以上工作，张丽梅研究员课题组近年围绕农业系统中土壤-作物连续体上微生物群落的构建过程和调控原理开展了系列研究，揭示了作物类型和生长发育阶段对根际和作微生物组的组成和功能具有强烈的选择效应。在最近的研究中，他们发现土壤-植物连续体上固氮微生物群落与细菌和真菌类似，也主要由部位生态位决定，但植物所处的不同地理位置所代表的土壤、气候和大气环境差异塑造了不同的固氮微生物物种库，进而对植物部位固氮微生物的群落构建产生了深刻的影响，使得大多数部位的固氮微生物群落受地点的影响强于受作物种类和生长发育时期的影响（图3）。通过溯源分析发现，根际土壤和空气分别是植物根部和叶表固氮微生物的重要来源，解释量分别为77.7%和54.2%。玉米、小麦和大麦不同部位（叶、根和果实）的固氮微生物群落主要由甲基杆菌（Methylobacterium）, 固氮螺菌（Azospirillum），慢生根瘤菌（Bradyrhizobium） 和根瘤菌（Rhizobium）组成，并由少量属于甲基杆菌属和固氮螺菌属的优势类群主导。
通过宏基因组分箱，该研究进一步鉴定出玉米叶际中存在较多与硝酸盐还原过程和固氮作用电子传递过程相关的宏基因组片段（MAGs），表明作物叶际微生物存在活跃的氮代谢过程，这些微生物对生物固氮及氮循环的贡献值得深入探究。该项研究近期发表于美国微生物学会旗下期刊mSystems上（Xiong et al., 2024），研究得到中国科学院战略先导计划项目资助，朱永官院士、贺纪正研究员和澳大利亚西悉尼大学Brajesh K. Singh教授等指导和参与了该项工作。
图3 土壤-作物连续体上固氮微生物群落装配特征
a.不同地点/土壤形成的固氮微生物物种库影响植物部分固氮菌群落装配；b. 玉米叶际氮循环相关MAGs组成)
论文1链接:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S136013852300167X
论文2链接:
https://journals.asm.org/doi/10.1128/msystems.01055-23
土壤环境科学与技术实验室
2024年3月22日