巧用固氮蓝藻，助力水稻应对高 CO2挑战

大气 CO2浓度升高影响水稻生长和产量。研究人员以固氮蓝藻（Anabaena torulosa）和两种水稻品种为对象，研究其在不同 CO2环境下的相互作用。结果表明蓝藻能缓解高 CO2影响，提升土壤养分和水稻产量。该研究为水稻种植提供新策略。

　　在全球气候变化的大背景下，温室气体排放不断增加，大气中 CO₂浓度持续攀升。这一变化对农作物的生长和产量产生了深远影响，其中水稻作为全球最重要的粮食作物之一，也深受其害。高浓度的 CO₂会干扰水稻的养分吸收和同化过程，导致其氮含量下降，影响光合作用效率和产量。同时，随着世界人口的不断增长，对粮食的需求日益增加，如何在高 CO₂环境下保障水稻的产量和质量，成为了亟待解决的难题。

为了应对这一挑战，来自印度农业研究委员会（ICAR）下属多个研究所的研究人员开展了一项深入研究。他们将目光聚焦在固氮蓝藻（Anabaena torulosa）上，这种蓝藻具有独特的光合作用和固氮能力，有望成为缓解高 CO₂对水稻负面影响的 “秘密武器”。研究人员选取了两种水稻品种 Pusa Basmati 1718 和 Pusa Basmati 1509，在不同 CO₂浓度（环境浓度 415±10 ppm 和升高浓度 550±25 ppm ）的环境下进行种植实验，旨在探究固氮蓝藻与水稻之间的相互作用，以及这种作用对水稻生长、土壤养分和产量的影响。

研究结果表明，固氮蓝藻在缓解高 CO₂对水稻的负面影响方面发挥了重要作用。在不同 CO₂环境下，接种固氮蓝藻（BF1 + 66% N + Full dose PK 处理）显著提高了土壤中与碳氮相关的参数。在两种水稻品种中，PB1718 在叶片色素和土壤光合生物量方面表现更优；而 PB1509 则在 PEP 羧化酶、谷氨酰胺合成酶（GS）和硝酸还原酶（NR）活性上表现突出，并且具有更优越的根系特征。

在高 CO₂环境下，PB1509 根际土壤中的有效氮含量显著增加，蓝藻的定植也更为明显，其 cyaA 基因拷贝数更高。而在 PB1718 中，nifH、Eub 基因拷贝数较多，这表明蓝藻对真细菌固氮菌有显著的刺激作用，同时也体现了品种、环境和蓝藻处理之间的相互作用。

通过冗余分析（RDA）发现，品种和环境条件与土壤微生物生物量碳、NR、GS 活性呈正相关，高 CO₂条件对 cyaA、Eub 和 pepA 基因丰度的影响更强。这意味着高 CO₂环境不仅改变了土壤微生物群落结构，还影响了水稻的碳氮代谢相关基因的表达，而蓝藻的加入在一定程度上调节了这些变化。

从研究方法来看，研究人员主要采用了以下关键技术：一是利用开放顶式气室（Open Top Chambers）模拟不同 CO₂浓度环境，确保实验条件能够真实反映实际情况；二是通过分光光度法测定叶片光合色素、蛋白质浓度以及各种酶的活性，准确分析水稻的生理变化；三是运用定量 PCR（qPCR）技术测定土壤中与碳氮代谢相关基因的拷贝数，深入探究基因水平的变化 。

在生长相关特征方面，研究发现环境 CO₂条件下叶片色素值更高，而蓝藻处理在高 CO₂条件下对叶片色素有积极影响。在酶活性方面，不同品种在不同环境和处理下表现各异。例如，PB1718 的硝酸还原酶活性在蓝藻处理下显著增强，而 PB1509 的谷氨酰胺合成酶和 PEP 羧化酶活性受蓝藻处理影响较大。

根系相关研究中，高 CO₂改善了根系生物计量参数，PB1509 的根系参数整体优于 PB1718。蓝藻处理对根系宽度、长度和面积有积极影响，并且在高 CO₂条件下，蓝藻处理能够补偿根系铁螯合还原酶活性的降低。

土壤微生物和养分相关属性研究显示，高 CO₂促进了根际土壤脱氢酶活性，蓝藻处理进一步增强了这一活性，同时提高了土壤微生物生物量碳含量。此外，高 CO₂条件下土壤有效氮浓度显著增加，蓝藻处理进一步提升了其含量。

产量相关属性方面，高 CO₂对水稻总生物量产量有积极影响，而蓝藻处理在环境 CO₂条件下能提高每穗粒数。基因丰度分析表明，蓝藻处理和环境 CO₂浓度对不同基因的拷贝数有显著影响，且存在品种特异性。

综上所述，该研究全面揭示了固氮蓝藻在帮助水稻适应高 CO₂环境方面的重要作用。它不仅能够改善土壤养分状况，增强水稻的氮固定能力，还能调节水稻的光合作用和碳氮代谢，从而提高水稻的产量和品质。这一研究成果为应对全球气候变化背景下的粮食安全问题提供了新的思路和方法，具有重要的理论和实践意义。它为未来水稻种植中合理利用蓝藻作为生物肥料提供了科学依据，有望在农业生产中得到广泛应用，助力实现可持续农业发展目标。