水稻全基因组关联研究揭示调控稻田土壤中固氮铁还原菌富集的关键染色体区域

《Plant and Soil》：Genome-wide association study identifies key chromosomal regions in rice promoting the enrichment of diazotrophic iron-reducing bacteria in paddy soil

编辑推荐：针对氮肥过度使用引发的环境问题，东京大学团队通过GWAS分析143个粳稻品种，发现Chr3/4/9/10/11上的LD区域与铁还原菌(IRB)丰度显著相关，其中SL609品系验证了Chr3片段对Anaeromyxobacter/Geobacter富集的调控作用，为水稻氮素高效利用提供了新靶点。

　　 氮肥的过度施用导致水体富营养化、土壤酸化等严峻环境问题，而稻田中的固氮铁还原菌（Diazotrophic IRB）——尤其是Anaeromyxobacter和Geobacter——能在含铁化合物存在时通过生物固氮作用（BNF）提升土壤氮素有效性。然而，水稻基因型如何影响这些关键微生物的富集尚不明确。东京大学Toru Fujiwara团队在《Plant and Soil》发表研究，通过创新的微宇宙培养系统结合全基因组关联分析（GWAS），揭示了调控IRB富集的关键遗传位点。

研究团队采用143个粳稻品种和染色体片段置换系SL609，建立分层微宇宙培养装置（上层根际土壤/下层本体土壤，以30μm尼龙网分隔），通过qPCR定量nifD/16S rDNA比值评估IRB丰度。GWAS分析整合426,337个SNP和67,544个Indel，采用统一混合模型校正批次效应，连锁不平衡（LD）分析锁定关键区域，并通过SL609验证功能。

微宇宙系统验证水稻栽培对IRB的促进作用 实验显示，种植水稻品种Nipponbare使根际土壤IRB比例较空白对照提升1.8倍，本体土壤提升1.2倍，证实水稻生长可特异性富集IRB。

粳稻品种间IRB丰度存在遗传变异 143个品种根际IRB丰度呈现连续分布（-0.0058~0.2123），两批次实验显示弱但显著的相关性（r=0.19, p=0.022），其中KOB025和KOB143分别稳定呈现高/低IRB富集能力。

GWAS鉴定关键染色体区域 在Chr2/3/4/9/10/11上发现-log₁₀(p)≥5的显著峰，LD分析划定Chr3（294 kbp）、Chr4（790 kbp）、Chr9（476 kbp）等区域，涵盖34-49个基因，如Chr3上的黄酮醇合成酶（LOC_Os03g03034）和开花调控因子OsMADS50。

单倍型分析揭示等位基因效应 携带Chr3单倍型1的品种IRB丰度比单倍型2高32%（p<0.05），SL609（含Nipponbare的Chr3片段）较背景亲本Koshihikari显著提升IRB富集，证实遗传调控作用。

该研究首次系统解析了水稻遗传变异对IRB富集的调控网络，为培育通过微生物互作减少氮肥依赖的水稻品种提供分子靶点。候选基因涉及黄酮合成、细胞分裂素代谢和扩张蛋白等通路，暗示根系分泌物组成和构型可能是调控IRB的关键因素。未来研究需在田间验证这些遗传位点的实际农艺价值，并深入解析候选基因如何通过根-菌互作影响土壤氮循环。