【Plant Cell】突破！加入一种酵母，可显著提高水稻氮利用率及产量！

众所周知，氮限制了作物的产量，改善氮素营养仍然是作物研究的主要目标。改善氮素营养的一种方法是鉴定与植物相互作用的固氮微生物。2019年11月24日，The Plant Cell杂志在线发表了来自印度加尔各答大学的Anindita Seal课题组题为“A Tripartite Interaction among the Basidiomycete Rhodotorula mucilaginosa, N2-fixing Endobacteria, and Rice Improves Plant Nitrogen Nutrition”的研究论文。该研究揭示了来源于香蒲中的内生酵母Rhodotorula mucilaginosa--JGTA-S1具有固氮功能，其原因是内含有具有固氮功能的共生固氮菌。并进一步将JGTA-S1酵母定殖在水稻中，能显着提高了水稻的生长，氮含量和相对氮利用效率。

氮是植物生长的重要常量营养素，但可用氮的有限供应导致氮肥的广泛使用。而生物固氮可将氮转化为植物可以使用的形式的铵盐。但是，固定大气中N2的能力是原核生物所独有的，也被称为固氮菌。目前研究得知，只有被子植物中的I类真蔷薇分支能与固氮菌相互共生。但是，自由生活的固氮菌在改善氮素代谢中也具有重要作用。如许多植物相关内生真菌是固氮菌的宿主，通过三者之间相互影响可以使真核生物（真菌和植物）利用真菌中的固氮菌来固定N2。此外，由于内生菌的广泛宿主范围使宿主-微生物相互作用成为令人兴奋的研究领域，因为它为将内生菌的关键特性传递给作物植物提供了可能性。

该研究从生长在印度某铀矿有关的尾矿池的香蒲中分离了芽生内生酵母菌株JGTA-S1及其内十多种共生菌。该内生酵母以前在作物植物有报道，如玉米，水稻，番茄和小麦等作物中，这些酵母菌株均未显示对其宿主植物有害，反而对植物生长具有促进作用。研究表明，JGTA-S1的基因组包含几个潜在的基因，它们在产生植物激素途径具有重要作用而能够促进植物的生长。

首先，该研究探索了JGTA-S1与水稻之间的相互作用，通过在水稻根中定植该酵母，发现该酵母显着改善了水稻的生长，包括水稻的茎及根的长度。此外，通过转录组分析得到磷酸（P）和氮（N）的代谢过程在DEGs中显着富集，这表明该酵母可促进水稻中的P和N代谢。

进一步，该研究测量了JGTA-S1处理三种不同水稻品种的总氮水平。研究结果表明，水稻中每株植物的总氮含量显着增加（倍数变化〜2.95）此外，在JGTA-S1处理的24小时内，水稻根部与N代谢，N转运蛋白和结节样（NIN）样转录因子有关的基因被上调。进一步显示，JGTA-S1能改善低氮培养中的水稻生长（如下图）。

进一步研究表明，JGTA-S1具有与植物相关的双态生命周期，并发现在其内具有固定N2的内生细菌斯氏假单胞菌（见下图），可以使JGTA-S1在无氮环境中生长。此外，真菌与细菌的相互作用对于JGTA124 S1的存活及其固定N2的能力至关重要。研究最后发现，水稻中的JGTA-S1具有丝状相，固氮菌仅穿透丝状JGTA-S1进入水稻中，将N2固定在植物中，并向水稻供应氮营养。

因此，该研究揭示了一种植物-内生真菌-共生固氮菌三方相互作用，其中内生真菌-酵母JGTA-S1中的固氮菌固氮后传递给水稻，为水稻提供氮营养。故该相互作用有望被被用来改善作物中的氮营养，并以此提供作物的产量！

论文链接：

http://www.plantcell.org/content/early/2019/11/22/tpc.19.00385

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