根際微生物組被譽(yù)為植物的“第二基因組”，在植物的生長發(fā)育與健康中發(fā)揮關(guān)鍵作用。水稻作為全球近半人口的主糧作物,，其產(chǎn)量直接影響糧食安全，而分蘗數(shù)是決定水稻產(chǎn)量的核心農(nóng)藝性狀,，受遺傳和多種環(huán)境因子調(diào)控。長期以來，根際微生物群落是否參與調(diào)控分蘗形成及其分子機(jī)制,，一直是學(xué)界未解之謎。闡明這一問題,，將為微生物農(nóng)業(yè)應(yīng)用及作物綠色增產(chǎn)提供革命性突破,。

　　4月22日，中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所白洋研究員（現(xiàn)任北京大學(xué)研究員）,、崖州灣國家實驗室/中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋院士,、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院儲成才教授、南方科技大學(xué)黃安誠研究員,、中山大學(xué)腫瘤防治中心高嵩研究員帶領(lǐng)的五個頂尖科研團(tuán)隊聯(lián)合攻關(guān)在Cell發(fā)表了題為Root microbiota regulates tiller number in rice的重磅研究成果,。該研究通過整合微生物組學(xué)、分子生物學(xué),、作物遺傳學(xué),、天然產(chǎn)物化學(xué)及結(jié)構(gòu)生物學(xué)等技術(shù)，首次系統(tǒng)揭示了根際微生物組調(diào)控水稻分蘗的功能與分子機(jī)制,，成為植物-根際微生物互作研究的范例,。

田間證據(jù)：微生物組與水稻分蘗數(shù)顯著關(guān)聯(lián)

　　基于182個水稻品種的基因組數(shù)據(jù)，通過分蘗表型與根際微生物組數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析,，研究團(tuán)隊揭示了根際微生物組與水稻分蘗數(shù)之間的密切聯(lián)系,。根際微生物組對分蘗數(shù)變異具有顯著的解釋力（28.2%），且根際微生物組與基因型的互作效應(yīng)占基因型總解釋量的79.9%,。通過微生物群落特征與分蘗表型的線性回歸分析,，根際微生物的α多樣性（shannon index）和β多樣性（PCo1）均與水稻分蘗數(shù)存在顯著關(guān)聯(lián)。在兩個獨立試驗田環(huán)境中,，團(tuán)隊鑒定出12個與分蘗數(shù)顯著相關(guān)的細(xì)菌菌屬：7個正相關(guān)菌屬和5個負(fù)相關(guān)菌屬,。

功能驗證：根際微生物成為水稻分蘗“調(diào)控器”

　　利用水稻根際細(xì)菌資源庫，研究團(tuán)隊選擇分蘗相關(guān)屬的關(guān)鍵菌株在實驗室和田間環(huán)境下進(jìn)行功能驗證,。結(jié)果顯示,，Roseateles R780和Piscinibacter R1801顯著促進(jìn)分蘗，而Exiguobacterium R2567,  Burkholderia R2488和Pleomorphomonas R1405則顯著抑制分蘗,。為了驗證調(diào)控分蘗的功能是否依賴于植物激素獨腳金內(nèi)酯（Strigolactone, SL）通路,，團(tuán)隊檢測了功能菌處理下SL的合成及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)狀態(tài)，同時在SL合成突變體（d27）及信號突變體（d14）中進(jìn)行表型驗證,。發(fā)現(xiàn)Roseateles R780和Exiguobacterium R2567對分蘗的調(diào)控依賴于水稻SL途徑,，但以不同方式發(fā)揮功能：Roseateles R780的促進(jìn)作用依賴于SL的合成及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)，而Exiguobacterium R2567的抑制作用更依賴于SL信號轉(zhuǎn)導(dǎo),。

分子機(jī)制：微生物分泌環(huán)二肽精準(zhǔn)對接“分蘗開關(guān)”

　　為了探索Exiguobacterium R2567抑制分蘗的分子機(jī)制,，團(tuán)隊測試并明確了Exiguobacterium R2567調(diào)控分蘗活性源于菌代謝物，并成功分離出關(guān)鍵活性分子S6，經(jīng)LC-MS及NMR鑒定其為環(huán)二肽cyclo(Leu-Pro),。實驗表明,，cyclo(Leu-Pro)可以促進(jìn)OsD53蛋白降解，從而抑制水稻分蘗,。研究人員隨即解析了OsD14-cylco(Leu-Pro)復(fù)合物的高分辨率晶體結(jié)構(gòu),，并結(jié)合通過MST、BLI,、YLG等分子互作實驗,，揭示了cyclo(Leu-Pro)與OsD14的作用細(xì)節(jié)，及其與SL功能類似物rac-GR24在結(jié)合方式上的高度相似性,。遺傳證據(jù)表明,，在突變體d14上cyclo(Leu-Pro)喪失了調(diào)控OsD53蛋白含量和水稻分蘗的作用。

　　綜上所述,，cyclo(Leu-Pro)可以模擬SL功能,，直接結(jié)合SL受體OsD14并激活SL信號，抑制水稻分蘗,。這一發(fā)現(xiàn)顛覆了內(nèi)源植物激素SL調(diào)控分蘗的傳統(tǒng)認(rèn)知,，證明微生物代謝物同樣可以精準(zhǔn)操縱水稻分蘗過程。

　　中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所/北京大學(xué)張婧贏副研究員,、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所王冰研究員,、徐浩然博士、劉偉東博士研究生,、南方科技大學(xué)于經(jīng)緯博士研究生,、中山大學(xué)腫瘤防治中心王秋霞博士、崖州灣國家實驗室余泓研究員,、中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所魏金偉博士為本文的共同第一作者,。中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所白洋研究員（現(xiàn)任北京大學(xué)研究員）、崖州灣國家實驗室/中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所李家洋院士,、華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院儲成才教授,、南方科技大學(xué)黃安誠研究員、中山大學(xué)腫瘤防治中心高嵩研究員為共同通訊作者,。該研究獲國家重點研發(fā)計劃,、中國科學(xué)院先導(dǎo)專項、國家自然科學(xué)基金等項目和新基石科學(xué)基金會科學(xué)探索獎資助,。

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文圖/農(nóng)學(xué)院