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主作者与研究机构：
本研究由常晶晶（Jingjing Chang）、科斯塔（Ohana Y. A. Costa）、田春杰（Chunjie Tian）和库拉玛（Eiko E. Kuramae）等主导，主要研究机构包括中国科学院东北地理与农业生态研究所、荷兰生态研究所（Netherlands Institute of Ecology, NIOO-KNAW）、南昌大学超级稻研发中心等。该研究于2025年发表在《自然通讯》（Nature Communications）期刊上。

学术背景：
本研究属于植物微生物组学领域，旨在探讨水稻驯化对根际微生物群落氮循环功能的影响。氮是植物生长的关键元素之一，参与DNA、RNA、ATP、蛋白质、叶绿素等多种生物分子的合成。然而，现代农业中过量使用氮肥不仅导致土壤酸化和生物多样性丧失，还增加了温室气体一氧化二氮（N₂O）的排放。为了实现可持续农业，研究人员将目光转向植物根际微生物组的功能优化。尽管已有研究表明水稻驯化改变了其根际微生物群落结构，但关于驯化如何影响微生物氮代谢的具体机制仍缺乏系统性研究。因此，本研究旨在揭示野生稻与驯化稻在根际微生物氮循环功能上的差异，并探索其潜在的环境影响。

研究流程：
本研究分为七个主要步骤，涵盖样本收集、实验设计、数据分析等多个方面。首先，研究选取了五种野生稻和七种驯化稻作为研究对象，所有植株均在同一土壤和气候条件下种植以排除环境干扰。其次，在水稻开花期采集根际土壤样本，通过液氮研磨提取总DNA，并进行宏基因组测序（shotgun metagenomics sequencing）。第三步，利用SqueezeMeta管道处理宏基因组数据，结合KEGG数据库注释氮循环相关基因，并计算其转录本每百万计数（TPM）值。第四步，通过实时荧光定量PCR（qPCR）验证关键氮循环基因（如nifH、nosZ、nirK等）的丰度。第五步，进行根际微生物移植实验，将野生稻和驯化稻的根际微生物悬液分别接种到无菌土壤中，评估其对氮酶活性和植物生长的影响。第六步，通过气相色谱-飞行时间质谱（GC-TOF-MS）分析根系代谢物，并将其与氮循环基因丰度进行相关性分析。最后，通过添加根系代谢物溶液到非无菌土壤中，监测nifH基因动态变化及氮酶活性。

主要结果：
1. 氮含量差异：研究发现，野生稻的叶片、茎和根中的氮含量显著高于驯化稻（p = 2.75e-09至1.49e-07），表明野生稻具有更高的氮吸收效率。
2. 氮循环基因丰度：宏基因组数据分析显示，野生稻根际微生物组中固氮基因（如nifH、nifD、nifK）的丰度显著高于驯化稻，而与N₂O生成相关的基因（如nirK、nosZ）在驯化稻中更为丰富。qPCR验证进一步证实了这些差异。
3. 根际微生物移植实验：无论种植何种水稻，接种野生稻根际微生物悬液的土壤表现出更高的氮酶活性（p < 0.05），且植物生长也得到显著促进。
4. N₂O排放测量：在黑土和盐碱土两种不同土壤条件下，驯化稻的N₂O排放量显著高于野生稻（p < 0.05），这与qPCR检测到的N₂O生成相关基因丰度一致。
5. 根系代谢物与氮循环基因的相关性：野生稻根系分泌物中有22种代谢物与nifH基因呈正相关，而驯化稻仅检测到7种代谢物，且多为负相关。此外，添加野生稻根系代谢物显著提高了土壤中nifH基因丰度和氮酶活性（p = 2.03e-09）。

结论与意义：
本研究揭示了水稻驯化对根际微生物氮循环功能的深远影响。驯化稻依赖外部氮肥的特性削弱了其与根际微生物的共生关系，导致固氮菌减少而N₂O生成菌增加。这一发现不仅为理解作物驯化的生态代价提供了新视角，也为未来育种策略提供了重要参考。例如，通过引入野生稻根际微生物或优化根系分泌物组成，可以增强驯化稻的氮利用效率并减少温室气体排放。此外，研究还强调了根系分泌物在调控微生物群落功能中的关键作用，为开发基于微生物的绿色农业技术奠定了理论基础。

研究亮点：
1. 首次系统比较了野生稻与驯化稻根际微生物氮循环功能的差异。
2. 结合宏基因组测序、qPCR和代谢组学分析，揭示了根系分泌物与微生物氮循环基因之间的复杂关系。
3. 开发了一种通过添加根系代谢物调控土壤微生物功能的新方法，展示了其在短期和长期实验中的应用潜力。

其他有价值内容：
本研究还指出，水稻田作为重要的非点源氮污染来源，其N₂O排放问题亟需关注。研究结果为制定针对性的减排措施提供了科学依据，同时呼吁在作物育种过程中兼顾产量提升与生态环境保护。