東北地理所在長期高氮輸入影響小麥種子萌發(fā)跨代效應(yīng)機制研究方面取得進展
氮肥投入是提高糧食產(chǎn)量的重要農(nóng)業(yè)措施，但長期過量施氮也可能引發(fā)土壤生態(tài)功能下降、養(yǎng)分失衡以及作物自身適應(yīng)能力改變等問題。已有研究表明，氮素供應(yīng)水平能夠影響作物籽粒形成和品質(zhì)特征，但長期連續(xù)高氮環(huán)境是否會通過跨代效應(yīng)影響后代種子萌發(fā)能力，以及其潛在調(diào)控機制仍不清楚。
針對上述問題，中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所作物生理與栽培學(xué)科組以小麥為研究對象，建立連續(xù)七代高氮和正常氮處理實驗體系，結(jié)合空間代謝組學(xué)、空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)以及種子內(nèi)生微生物群落分析，系統(tǒng)揭示了長期高氮輸入對小麥后代種子萌發(fā)能力的影響及其代謝—微生物調(diào)控機制。
研究發(fā)現(xiàn)，連續(xù)七代高氮處理顯著延緩了小麥后代種子的萌發(fā)過程，使第七代（F7）種子的萌發(fā)指數(shù)降低12.3%，而種子活力指數(shù)未發(fā)生顯著變化。為進一步解析長期高氮影響種子萌發(fā)的內(nèi)在機制，研究團隊利用空間代謝組學(xué)和空間轉(zhuǎn)錄組學(xué)技術(shù)，對小麥種子胚和胚乳區(qū)域的代謝變化進行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，長期高氮處理改變了種子不同組織間的代謝分配模式，其中作為萌發(fā)過程中主要營養(yǎng)供應(yīng)組織的胚乳，其關(guān)鍵代謝物L(fēng)-天冬氨酸含量下降73.9%；與此同時，胚中β-丙氨酸和精胺等代謝物也顯著降低。進一步研究發(fā)現(xiàn)，長期高氮還改變了小麥種子內(nèi)生細菌群落組成，并促進芽孢桿菌屬（Bacillus）的富集。功能驗證顯示，Bacillus能夠利用L-天冬氨酸作為碳氮來源，并在補充L-天冬氨酸條件下降低小麥種子的萌發(fā)能力，提示種子內(nèi)生微生物可能通過競爭關(guān)鍵代謝資源參與長期高氮誘導(dǎo)的萌發(fā)抑制過程。
該研究解析了長期高氮輸入影響作物后代種子萌發(fā)的潛在機制，即高氮環(huán)境通過改變種子營養(yǎng)資源供應(yīng)、組織特異性代謝過程以及內(nèi)生微生物組裝，共同調(diào)控小麥種子萌發(fā)能力。研究結(jié)果拓展了對農(nóng)業(yè)養(yǎng)分管理長期生態(tài)效應(yīng)的認識，為優(yōu)化氮肥投入策略、提高作物種子質(zhì)量和農(nóng)業(yè)可持續(xù)生產(chǎn)提供了新的理論依據(jù)。
研究成果以“Multi-Generational High Nitrogen Application Inhibits Seed Germination in Wheat: Insights Into Metabolic Dynamics and Microbial Interactions”為題，在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊Plant, Cell & Environment。論文由中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所聯(lián)合培養(yǎng)博士生穆朋、客座研究人員楊愛崢副教授、李向楠研究員等共同完成。該研究得到黑土地保護與利用重點實驗室開放基金項目（2023HTDGZ-KF-06）、國家自然科學(xué)基金（32372228）以及吉林省科技發(fā)展計劃（0217-00084B）等資助。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1111/pce.70734
圖1. 連續(xù)七代高氮處理改變小麥種子代謝特征和內(nèi)生微生物群落組成
圖2. 長期高氮誘導(dǎo)小麥種子胚和胚乳代謝重編程，導(dǎo)致關(guān)鍵萌發(fā)相關(guān)代謝物減少
圖3. 芽孢桿菌通過競爭利用L-天冬氨酸參與高氮誘導(dǎo)的小麥種子萌發(fā)抑制過程
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