多团队联合攻关破解调控水稻分蘖的“菌源密码”

发布时间:2025.04.23     

Crop root bacterial and viral genomes reveal unexplored species and microbiome p.pdf

根际微生物组被誉为植物的“第二基因组”，在植物的生长发育与健康中发挥关键作用。水稻作为全球近半人口的主粮作物，其产量直接影响粮食安全，而分蘖数是决定水稻产量的核心农艺性状，受遗传和多种环境因子调控。长期以来，根际微生物群落是否参与调控分蘖形成及其分子机制，一直是学界未解之谜。阐明这一问题，将为微生物农业应用及作物绿色增产提供革命性突破。

    北京时间2025年4月22日，中国科学院遗传与发育生物学研究所白洋研究员（现任北京大学研究员）、崖州湾国家实验室/中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士、华南农业大学储成才教授、南方科技大学黄安诚研究员、中山大学肿瘤防治中心高嵩研究员带领的五个顶尖科研团队联合攻关，在顶级期刊《Cell》发表题为“Root microbiota regulates tiller number in rice”的重磅研究成果。该研究通过整合微生物组学、分子生物学、作物遗传学、天然产物化学及结构生物学等技术，首次系统揭示了根际微生物组调控水稻分蘖的功能与分子机制，成为植物-根际微生物互作研究的教科书级范例。该研究续写了白洋团队2025年3月在《Cell》发表的另一篇题为“Crop root bacterial and viral genomes reveal unexplored species and microbiome patterns”的封面文章，进一步利用丰富的菌种资源挖掘调控水稻分蘖的重要菌株。两项研究形成"数据挖掘-功能机制解析"的完整闭环，标志着植物微生物组研究从描述性科学迈向功能机制解析与工程化应用的新纪元，为作物增产与粮食安全提供了突破性科技支撑！

田间证据：微生物组与水稻分蘖数显著关联

    基于182个水稻品种的基因组数据，通过分蘖表型与根际微生物组数据的关联分析，研究团队揭示了根际微生物组与水稻分蘖数之间的密切联系。根际微生物组对分蘖数变异具有显著的解释力（28.2%），且根际微生物组与基因型的互作效应占基因型总解释量的79.9%。通过微生物群落特征与分蘖表型的线性回归分析，根际微生物的α多样性（shannon index）和β多样性（PCo1）均与水稻分蘖数存在显著关联。在两个独立试验田环境中，团队鉴定出12个与分蘖数显著相关的细菌菌属：7个正相关菌属和5个负相关菌属。

功能验证：根际微生物成为水稻分蘖“调控器”

    利用水稻根际细菌资源库，研究团队选择分蘖相关属的关键菌株在实验室和田间环境下进行功能验证。结果显示，Roseateles R780和Piscinibacter R1801显著促进分蘖，而Exiguobacterium R2567, Burkholderia R2488和Pleomorphomonas R1405则显著抑制分蘖。为了验证调控分蘖的功能是否依赖于植物激素独脚金内酯（Strigolactone, SL）通路，团队检测了功能菌处理下SL的合成及信号转导状态，同时在SL合成突变体（d27）及信号突变体（d14）中进行表型验证。发现Roseateles R780和Exiguobacterium R2567对分蘖的调控依赖于水稻SL途径，但以不同方式发挥功能：Roseateles R780的促进作用依赖于SL的合成及信号转导，而Exiguobacterium R2567的抑制作用更依赖于SL信号转导。

分子机制：微生物分泌环二肽精准对接“分蘖开关”

    为了探索Exiguobacterium R2567抑制分蘖的分子机制，团队测试并明确了Exiguobacterium R2567调控分蘖活性源于菌代谢物，并成功分离出关键活性分子S6，经LC-MS及NMR鉴定其为环二肽cyclo(Leu-Pro)。实验表明，cyclo(Leu-Pro)可以促进OsD53蛋白降解，从而抑制水稻分蘖。研究人员随即解析了OsD14-cylco(Leu-Pro)复合物的高分辨率晶体结构，并结合通过MST、BLI、YLG等分子互作实验，揭示了cyclo(Leu-Pro)与OsD14的作用细节，及其与SL功能类似物rac-GR24在结合方式上的高度相似性。遗传证据表明，在突变体d14上cyclo(Leu-Pro)丧失了调控OsD53蛋白含量和水稻分蘖的作用。

    综上所述，cyclo(Leu-Pro)可以模拟SL功能，直接结合SL受体OsD14并激活SL信号，抑制水稻分蘖。这一发现颠覆了内源植物激素SL调控分蘖的传统认知，证明微生物代谢物同样可以精准操纵水稻分蘖过程！

    中国科学院遗传与发育生物学研究所/北京大学张婧赢副研究员、中国科学院遗传与发育生物学研究所王冰研究员、徐浩然博士、刘伟东博士研究生、南方科技大学于经纬博士研究生、中山大学肿瘤防治中心王秋霞博士、崖州湾国家实验室余泓研究员、中国科学院遗传与发育生物学研究所魏金伟博士为本文的共同第一作者。中国科学院遗传与发育生物学研究所白洋研究员（现任北京大学研究员）、崖州湾国家实验室/中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋院士、华南农业大学储成才教授、南方科技大学黄安诚研究员、中山大学肿瘤防治中心高嵩研究员为共同通讯作者。该研究获国家重点研发计划、中国科学院先导专项、国家自然科学基金等项目和新基石科学基金会科学探索奖资助。