微生物调控水稻根系细胞壁提升作物耐铝机制研究取得进展

土壤酸化是全球性耕地退化问题，影响全球超过 40% 的可耕地，对粮食安全构成持续威胁。在酸性土壤环境中，铝毒性是限制作物生长的关键胁迫因子，可造成约30%–40%的产量损失。铝离子（Al³⁺）主要作用于作物根尖，通过与细胞壁组分（如半纤维素、果胶）结合，在数小时内使根系伸长抑制率超过 70%，严重阻碍作物生长。尽管植物已演化出有机酸排斥、液泡区隔等耐铝机制，但根细胞壁作为根系与微生物互作的核心界面，其在微生物参与下的重塑过程对铝毒胁迫的响应机制长期不明。同时，根际微生物虽可通过养分交换、激素信号调控根系发育，但其在铝毒胁迫下对根细胞壁的修饰功能缺乏系统阐释。在粮食需求持续增长、耕地质量下降的双重压力下，填补这一科学空白对提升酸性土壤区作物生产力具有重要意义。

中国科学院南京土壤研究所梁玉婷研究团队在前期已先后阐明耐酸铝性合成菌群在酸性土壤中缓解铝毒和土壤酸化的关键机制（Nature Food volume 4,pages912–924,2023），且揭示了以代谢交叉喂养为基础构建稳健高效合成菌群的内在机理（Nature Communications volume 15,10148,2024），为本研究奠定了理论与技术基础。在此研究积累上，该团队进一步联合中国科学院分子植物科学卓越创新中心、太平洋生物科学研究中心、上海交通大学、北京大学等多家单位的研究团队，综合运用多组学整合分析、遗传功能验证等手段，系统解析了根际微生物对水稻根细胞壁的修饰作用及其提升耐铝性的分子机制。

研究发现，耐酸铝合成菌群可特异性激活水稻木葡聚糖内转糖基酶（XET）的活性，进而重塑根细胞壁中的木葡聚糖结构，显著降低铝在细胞壁结合位点的积累，使根中铝含量降低47.5%。此外，该微生物群落还通过甲羟戊酸途径（MVA）促进油菜素甾醇（BR）的生物合成；结合XET缺陷突变体、BR缺陷突变体的遗传证据进一步证实，该菌群可向根尖供应BR前体，通过维持根细胞内激素稳态并直接驱动细胞壁重塑，与XET介导的木葡聚糖结构调整形成协同效应，从而有效缓解铝毒对水稻根系的损伤。

作为该团队在合成菌群提升酸性土壤作物抗逆性研究的延续，本研究揭示了根际微生物能够通过调节细胞壁结构和激素代谢提升作物耐铝性的新机制，深化了根际微生物与作物抗逆协同机制的认知，为未来利用微生物工程和细胞壁修饰技术培育耐酸耐铝作物品种、保障酸性土壤区粮食生产提供了理论基础与实践方向。

以上研究成果以“Bacterial modification of the root cell wall facilitates rice aluminum resistance in acidic soils”为题于2025年11月23日发表于Cell Reports。南京土壤研究所博士生张理和博士后姜美彤为共同第一作者，梁玉婷研究员为通讯作者。该研究得到国家自然科学基金（42425703、42377121）、江苏省自然科学基金（BK20240015）、中国科学院青年科学家基础研究项目（YSBR-108）及中国科学院南京土壤研究所创新项目（ISSASIP2201）的资助。

论文链接

酸性土壤中由耐铝性合成菌群调控水稻根细胞壁提升水稻耐铝性机制