水稻在从野生种驯化为栽培种的过程中，其根系微生物的氮循环功能发生了显著变化：野生水稻的根际微生物固氮能力更强。栽培水稻的根际微生物产生更多温室气体一氧化二氮（N₂O）

摘要

（1） Crop domestication has revolutionized food production but increased agriculture’s reliance on fertilizers and pesticides 作物驯化彻底改变了粮食生产，但也增加了农业对化肥和杀虫剂的依赖 . 

（2） We investigate differences in the rhizosphere microbiome functions of wild and domesticated rice, focusing on nitrogen (N) cycling genes. 。我们调查了野生和驯化水稻根际微生物功能的差异，重点是氮(N)循环基因。  

（3） Shotgun metagenomics and real-time PCR reveal a higher abundance of N-fixing genes in the wild rice rhizosphere microbiomes. Validation through transplanting rhizosphere microbiome suspensions shows the highest nitrogenase activity in soils with wild rice suspensions, regardless of planted rice type. 鸟枪法宏基因组学和实时PCR揭示了野生稻根际微生物群落中更丰富的固氮基因。通过移植根际微生物悬液进行的验证表明，无论种植何种水稻，野生稻悬液土壤中的固氮酶活性最高。 

（4） Domesticated rice, however, exhibits an increased number of genes associated with nitrous oxide (N2O) production. Measurements of N2O emissions in soils with wild and domesticated rice are significantly higher in soil with domesticated rice compared to wild rice. 然而，驯化水稻显示出与一氧化二氮(N2O)产生相关的基因数量增加。野生稻和驯化水稻土壤中N2O排放量的测量值在驯化水稻土壤中明显高于野生稻。 

（5） Comparative root metabolomics between wild and domesticated rice further show that wild rice root exudates positively correlate with the frequency and abundance of microbial N-fixing genes, as indicated by metagenomic and qPCR, respectively. 野生稻和驯化水稻之间的比较根系代谢组学进一步表明，野生稻根系分泌物与微生物固氮基因的频率和丰度正相关，如宏基因组和qPCR分别所示。  

（6） To confirm, we add wild and domesticated rice root metabolites to black soil, and qPCR shows that wild rice exudates maximize microbial N-fixing gene abundances and nitrogenase activity. 为了证实这一点，我们在黑土中添加了野生和驯化水稻根系代谢产物，qPCR显示野生水稻分泌物使微生物固氮基因丰度和固氮酶活性最大化。  

（7） Collectively, these findings suggest that rice domestication negatively impacts N-fixing bacteria and enriches bacteria that produce the greenhouse gas N2O, highlighting the environmental trade-offs associated with crop domestication. 总的来说，这些发现表明水稻驯化对固氮细菌产生负面影响，并丰富了产生温室气体N2O的细菌，突出了与作物驯化相关的环境权衡。

（8） Results 结果

（9） Nitrogen contents of the leaves and stems of wild and domesticated rice 野生稻和驯化稻叶和茎的氮含量

野生水稻和栽培水稻不同部位含氮量的比较数据，野生水稻所有部位及整体的含氮量都显著高于栽培水稻

（10） Rhizobacterial nitrogen metabolism functions of wild and domesticated rice 野生和驯化水稻根际细菌的氮代谢功能

评估 “水稻品种（野生 vs. 栽培）”这个类别差异，能在多大程度上解释其根际微生物功能通路（氮循环相关代谢途径）的差异。水稻驯化（从野生到栽培）是驱动其根际微生物氮循环功能发生根本性改变的首要力量。这种改变最强烈的体现在于：极大削弱了有益的“固氮”功能，同时相对增强了导致温室气体排放的“反硝化”功能。

（11） Profiles of nitrogen-cycle genes in the rhizosphere of wild and domesticated rice 野生和驯化水稻根际氮循环基因的分布

通过转录组测序（TPM值），比较了野生水稻和栽培水稻根际微生物中，参与氮循环的多种关键基因的表达水平。蓝色箭头：表示该基因/通路在栽培水稻根际的TPM值（表达量）更高。红色箭头：表示该基因/通路在野生水稻根际的TPM值（表达量）更高。

（12） Taxonomic assignment of nitrogen-cycling genes 氮循环基因的分类归属

微生物分类学的角度，揭示了野生和栽培水稻根际参与氮循环的微生物群落的差异，

a图：群落结构差异，红点：野生水稻样本。它们紧密聚集在图中的左上方区域。蓝点：栽培水稻样本。它们紧密聚集在图中的右下方区域。野生和栽培水稻根际的“氮循环微生物群落”在整体结构上存在极其显著的差异（p值极显著）。水稻品种（野生/栽培）这个因素可以解释53%的群落结构变异（R²=0.53），说明驯化是导致这种差异的强力驱动因素。b图：群落Alpha多样性（丰富度与均匀度）

c图：关键差异类群（谁多了，谁少了？）内容：展示了在栽培水稻根际中，相对丰度显著更高的微生物类群（在科或属水平）。列出的类群：如肠杆菌科、假单胞菌科、硫杆菌属等。这些通常是与反硝化、硝酸盐还原等过程相关的细菌，其中很多也是兼性厌氧或条件致病菌，常在根系环境中富集。隐含信息：虽然没有直接画出野生水稻的对应图，但通过与c图对比可知，这些类群在野生水稻根际的相对丰度较低。而野生水稻根际富集的，可能是更多样的固氮菌等（见d图线索）。c图一句话总结：栽培水稻根际特异地富集了一批与反硝化等过程相关的微生物类群。

d图：关键类群的功能关联（它们有什么本事？）内容：列出了在分析中发现的、所有在两类水稻根际丰度有显著差异的微生物科。核心作用：这张图是连接群落变化（分类学）与功能变化（氮循环）的桥梁。重要类群举例：与固氮相关：如慢生根瘤菌科（包含著名的共生固氮根瘤菌）。与反硝化/N₂O排放相关：如肠杆菌科、假单胞菌科、红杆菌科等。与硝化相关：如硝化螺旋菌科。与其他过程相关：如产甲烷菌科、铁氧化菌科等。正是这些在丰度上发生变化的微生物类群，各自携带不同的氮循环“技能包”，共同导致了野生和栽培水稻根际氮循环功能的巨大差异。

（13） Quantification of N-cycle metagenome data by qPCR qPCR定量N循环宏基因组数据

（14） The rhizomicrobiome of wild rice enhances nitrogenase activity and plant growth 野生稻的根茎微生物区系增强固氮酶活性和植物生长

通过一个微生物移植实验，证明了水稻根际微生物群落的差异是导致氮循环功能不同的直接原因，而非植物基因型的间接影响。

（15） Validation of qPCR N-cycle data with nitrous oxide emissions in wild and domesticated rice 野生稻和驯化稻中氧化亚氮排放qPCR N循环数据的验证

量化比较了野生水稻和两种主要栽培稻（籼稻和粳稻）在两种不同土壤中每日平均的N₂O排放通量，比较野生水稻与栽培水稻根际的氧化亚氮实际排放量，验证前序发现的基因和微生物变化是否真的导致了更强的温室气体排放，并考察这种效应在不同土壤类型中的普遍性。

（16） Correlation between abundances of nitrogen fixation gene and root metabolites of wild and domesticated rice 野生和驯化水稻固氮基因丰度与根系代谢产物的相关性

野生水稻与栽培水稻的根系分泌物成分不同，从而特异性地招募和促进了固氮微生物（以nifH基因为标志）。a图：相关性模式全景对比，这张图从整体上比较了野生和栽培水稻中，与固氮基因nifH丰度相关的代谢物在数量和性质上的差异。左侧饼图（粉色-野生水稻）：核心发现：与nifH基因呈正相关的代谢物数量非常多（19个），呈负相关的很少（3个）。解读：这意味着在野生水稻根际，有大量的根系代谢物在积极地促进固氮微生物的富集或活性。植物在主动“招聘”和“喂养”固氮菌。代谢物类别：这些代谢物被分为有机酸、氨基酸、糖类等。这暗示野生水稻可能通过分泌特定类型的化合物（如某些有机酸和糖）来创造对固氮菌有利的根际环境。a图总结：野生水稻的根系是一个积极的“固氮菌招募中心”，而栽培水稻的这个功能几乎丧失。b图：关键代谢物识别网络图，这张图具体展示了是哪些代谢物在与nifH基因发生关联，以及关联的性质。节点：每个节点代表一种代谢物或nifH基因。颜色：粉色（野生水稻特有）、蓝色（栽培水稻特有）、灰色（两者共有）。栽培水稻网络（蓝色节点为主）：网络连接稀疏且简单。nifH节点主要与少数几个蓝色节点（栽培特有）相连，且蓝线（负相关）和红线（正相关）混杂，缺乏一致的促进模式。一些共有代谢物（灰色）在栽培水稻中与nifH的关联也消失了。b图总结：野生水稻分泌一系列特定的、丰富的有益化合物（如多种有机酸），形成了一个密集的“正反馈”网络，强力支持固氮菌。而栽培水稻的这种有益分泌物谱系丢失或改变了，导致支持网络瓦解。

（17） Root metabolites of wild rice promote the abundance of the N-fixation gene 野生稻根代谢产物促进固氮基因的丰度

将野生水稻和栽培水稻的根系分泌物提取物分别添加到土壤中，会定向塑造不同的微生物功能（固氮能力），而这种差异正是由分泌物中化学成分的差异所驱动的。a图：根系分泌物化学成分差异概览，野生水稻（粉色饼图）：拥有大量特有且丰度差异显著的代谢物（“差异丰富”的扇形很大）。这些物质主要集中在有机酸、糖类、氨基酸等类别。栽培水稻（蓝色饼图）：“差异丰富”的代谢物数量远少于野生稻。结论：从化学本质上证实了图7的发现——野生水稻分泌了一套独特且丰富的化合物组合，而这套组合在栽培水稻中大大丢失或改变了。b图：固氮基因丰度动态响应，内容：折线图展示了在长达8天的时间里，向土壤添加不同分泌物后，土壤中 nifH 基因绝对丰度的变化。c图：固氮酶活性验证，柱状图展示了在处理 36小时（b图显示差异已稳定）后，直接测量土壤的固氮酶活性。Wild处理组的固氮酶活性最高（柱最高）。Domesticated处理组的活性显著较低。

Crop domestication has revolutionized food production but increased agriculture’s reliance on fertilizers and pesticides 作物驯化彻底改变了粮食生产，但也增加了农业对化肥和杀虫剂的依赖 . 

We investigate differences in the rhizosphere microbiome functions of wild and domesticated rice, focusing on nitrogen (N) cycling genes. 。我们调查了野生和驯化水稻根际微生物功能的差异，重点是氮(N)循环基因。