近日，beat365手机版官网资源与环境科学学院、作物遗传与种质创新利用全国重点实验室徐国华教授团队联合资环学院生态学团队武俊副教授，在国际权威期刊Cell Host & Microbe发表了题为“The rice circadian clock orchestrates the rhizosphere microbiome to synchronize nitrogen supply with plant demand”的研究论文。
该论文揭示了水稻生物钟核心组分Nhd1通过调控特征根系分泌物昼夜节律释放，驱动根际微生物氮循环基因呈现协同的节律动态表达模式，从而实现水稻昼夜氮吸收需求与土壤氮素供给在时序上的精准匹配。这一机制被认为是构成水稻高效利用氮素的重要时序调控策略。该研究创新性地建立了“植物生物钟—根系代谢信号—根际功能菌群”的氮素利用跨界协同调控通路，为水稻氮素高效利用的遗传改良、基因型适配型合成菌群生物菌剂的开发开辟了新的理论基础与应用路径。
氮肥是保障粮食安全的重要物质基础，但其利用效率普遍偏低。核心原因在于作物氮需求与土壤氮供给之间存在严重的时空失配，导致氮肥资源浪费并带来环境风险。土壤中绝大部分氮素以植物难以直接利用的有机形态存在，根系氮素吸收因而高度依赖根际微生物主导的有机氮矿化及形态转化过程。尽管已有大量研究表明根系分泌物可调控根际微生物群落组成及其功能基因表达，但哪些分泌物组分参与土壤氮素转化、其作用机制如何，仍属未知。这一认知空白使得作物氮需求与土壤氮供给的时空失配问题长期停留在表观描述层面，始终未能在植物遗传层面获得解析。
水稻是全球最主要的粮食作物之一，铵态氮是其核心氮源。徐国华团队前期研究发现，生物钟因子Nhd1参与水稻氮感知、氮转运、抽穗开花及稻米品质的调控，为本研究奠定了重要基础。
图1. 接种节律钟因子Nhd1调控的混合菌群提高水稻产量和氮肥利用效率
图2. 接种节律钟因子Nhd1调控的混合菌群后的田间效果
在本研究中，团队围绕Nhd1介导植物-根际微生物时序协同的分子机制开展了深入的系统研究。联合团队首先利用15N同位素示踪、非破坏性根盒时序宏转录组、土壤酶活测定等，发现水稻根系铵的吸收存在昼夜节律，Nhd1决定其振幅；水稻根际部分参与氮转化的微生物基因同样呈现昼夜节律表达；在铵吸收峰值期，微生物产铵相关酶活上调、耗铵过程受到抑制，与Nhd1共同实现“高需求—高供给”的同步窗口；Nhd1突变后，这一精妙时序耦合完全被打破，根际微生物氮转化基因节律紊乱，产铵、耗铵酶活时序失调，造成氮素供需错配。
进一步研究发现Nhd1依靠节律性根系分泌物输出，驱动根际微生物氮循环基因的昼夜表达模式。通过根系代谢组筛选，鉴定出两个受Nhd1调控的黄酮类物质：槲皮素-3-龙胆二糖苷（Q3Gen）与白麻苷（baimaside）。外源功能验证表明，二者均可上调微生物氮循环关键基因，提升根际有效铵水平。其中Q3Gen的分泌具有强烈的昼夜节律特征，在白天分泌达到峰值。此外，在根际，Q3Gen主要作为信号分子，而不是碳源，诱导目标功能菌株的氮代谢核心功能基因（特别是有机氮矿化基因gdh2与铵同化基因glnA）表达。
在此基础上，团队筛选出两株精准匹配Nhd1调控模式的功能菌株Brevundimonas bullata（GHX19，CGMCC no. 35707）和Pseudomonas chengduensis（GHX12，CGMCC no. 35708），同时构建了无拮抗的合成菌群SynC。体外与土壤实验证实SynC具备高效有机氮矿化与产铵能力，效果优于单菌株接种；Q3Gen能激活SynC氮代谢功能。为评估该生物钟—合成菌群模块的农业应用潜力，团队在南京白马、海南乐东两个气候与土壤迥异的试验点开展了不同水稻品种（含粳稻和籼稻）的田间试验。结果显示，接种SynC可极其显著地提升稻谷产量与氮肥利用效率；并发现，在Nhd1弱等位基因品种中，SynC增强Nhd1基因的表达与促生效果尤为突出（图1，图2）。
该研究构建了“Nhd1-Q3Gen-SynC”调控模块，建立起根际土壤氮素供给与作物氮素需求在时间维度上的匹配机制，形成了昼夜节律协同的跨界互作新范式，填补了生物钟调控植物—根际微生物跨界时序信号传导领域的机制盲区。该成果在以往强调不同生育周期养分供需匹配基础上，进一步突出了根际节律适配性—即作物昼夜养分吸收节律与土壤氮素供给时序的匹配—在提升农业生产效率中的关键作用；同时亦为适配水稻基因型的定制化微生物菌剂开发，以及氮高效水稻的分子育种提供了新的路径。
该文的第一作者为杜梦柯博士生，张抒南副教授、武俊副教授和徐国华教授为共同通讯作者。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、江苏省种业振兴揭榜挂帅等项目资助。
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