【Nat Communi】中国农大张福锁院士团队揭示玉米/花生间作改善花生铁营养和产量的分子机制

1月29日，Nature Communications在线发表中国农业大学资源与环境学院、养分资源高效利用全国重点实验室、国家农业绿色发展研究院张福锁院士团队左元梅教授研究论文《玉米/花生间作微生物趋同性驱动产铁载体微生物改善花生铁营养和产量提升》（Microbiome convergence enables siderophore-secreting-rhizobacteria to improve iron nutrition and yield of peanut intercropped with maize）。

该研究是基于过去二十多年针对植物互作促进养分高效和产量提升的生物学机制的系统深入研究的基础上，进一步揭示了花生/玉米间作驱动根际产铁载体微生物改善作物铁营养和产量提升的机制。首次揭示了间作通过交叉富集高效产铁载体功能微生物及其分泌功能代谢物质-铁载体(siderophore)对促进铁营养和产量发挥了重要的作用，不仅为揭示间作中植物-土壤-微生物互作促进养分高效提供了创新的理论依据，也为利用产铁载体微生物促进养分高效和产能提升的产品和技术的研究开辟新视角和新途径，更为开发绿色智能微量元素肥料促进绿色农业发展提供了理论和技术支撑。论文接受次日收到Nature集团Nature Portfolio和Springer Nature Communities邀请在“Behind the paper”栏目发表分享该论文的研究经历。

间作即指同一地块同时种植至少两种作物的生产模式，因其在养分资源高效利用、增加生物多样性、促进病虫害防治和生产力提升方面的优越性，被视为实现绿色可持续农业和产能提升的重要途径之一。花生是世界上第五大油料经济作物，其中中国的产量占全世界产量的40%，而华北地区贡献了近20%的产量。然而，该区域分布广泛的高pH石灰性土壤及其容易导致花生缺铁，是高产稳产和品质提高的主要限制因子之一。本课题组的研究发现铁高效的机理II玉米与铁低效的机理I花生间作能明显提高花生铁营养和产量，对于玉米/花生间作我国所特有的生产体系蕴涵了国际铁营养和根际生物互作研究的前沿和热点科学问题，虽然过去的二十多年针对玉米花生间作改善作物铁营养的效应和机制从铁营养关键基因表达、转录组、蛋白组及其生理生态功能进行了系统和深入的研究，但始终从植物之间相互作用(plant-plant interactions)的层面关注机理II和机理I植物互作互惠的分子生态机制，而有关微生物在该体系中是否具有改善作物铁营养的作用并不清楚。

本研究经过近十年的研究首先通过灭菌试验证实间作中花生铁营养的改善依赖功能性根际微生物组的存在，进一步通过微生物组分析发现间作诱导了根际细菌群落的转移和植物间的趋同，尤其是假单胞菌属从玉米到花生的交叉富集，成为改善作物铁营养的关键参与者和贡献者。更为重要的是功能菌株及菌株功能物质靶向分离及温室和田间功能验证表明，代表性菌株假单胞菌属1502IPR-01通过分泌铁载铁pyoverdine提高花生铁营养和产量（图1）。

图1 间作富集的产铁载体功能菌及其功能物质能够明显改善花生铁营养和产量

该研究成果为通过以典型豆科/禾本科作物间作优势明显的表型为依据不仅从理论上揭示优势功能微生物的作用，同时靶向明确挖掘获得相应的功能微生物并解决生产问题提供科学的研究思路和技术依据（图2），同时也为我国农作物微生物组基础研究和成果应用提供依据，从而为促进粮食安全和绿色农业可持续发展发挥重要作用，应用前景十分广阔。

图2 玉米/花生间作趋同性驱动产铁载体微生物改善花生铁营养和产量提升机制模式图

本研究得到国家自然科学基金面上项目、青年基金项目和杰青项目、国家重点研发计划等项目的资助。中国农业大学资源与环境学院左元梅教授、南京农业大学资源与环境学院韦中教授、王明教授为共同通讯作者，中国农业大学资源与环境学院王男麒博士后（现就职于西南大学/中国农业科学院柑桔研究所）、王天琪博士（现为华南农业大学博士后）与江苏省中国科学院植物研究所陈雨研究员为共同第一作者，中国农业大学在站博士后卢巧芳和博士研究生王坤光参与了该项研究。中国农业大学张福锁院士和苏黎世大学Rolf Kümmerli教授指导了该项研究。

左元梅长期致力于豆科/禾本科间作改善作物铁营养调控机制及其应用的研究，先后获得国家自然科学项目、科技部国家重点研发计划、科技部支撑项目和863等项目资助。主要研究特色以我国农业生产中重大问题为突破口，将科学前沿问题和实践验证相结合，为通过合理间作调控根际有益微生物的功能进而提高土壤-作物养分高效利用和确保粮食安全提供重要的理论依据和技术支撑，在促使基础研究成果走向应用方面具有重要的意义。

全文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-45207-0

来源：中国农大新闻网

转自：“iPlants”微信公众号

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