新研究揭示根際微生物調控水稻分蘗機制

近日，我國科學家在國家重點研發計劃、中國科學院先導專項、國家自然科學基金等項目資助下，通過整合微生物組學、分子生物學、作物遺傳學、天然產物化學及結構生物學等技術，首次系統揭示了根際微生物組調控水稻分蘗的功能與分子機制。研究發現，根際微生物組對水稻分蘗數具有顯著影響，且這種影響依賴于植物激素獨腳金內酯途徑。相關成果發表于《細胞》（Cell）。

根際微生物組被譽為植物的“第二基因組”，在植物的生長發育與健康中發揮著關鍵作用。水稻作為全球近半人口的主糧作物，其產量直接影響糧食安全，而分蘗數是決定水稻產量的重要性狀，受遺傳和多種環境因子調控。長期以來，根際微生物群落是否參與及如何參與調控分蘗形成及其分子機制，一直是學界未解之謎。闡明這一問題，將為微生物在農業上的應用及作物綠色發展中具有重要的意義。

以中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員白洋（現任北京大學研究員）團隊為首的科學家團隊基于182個水稻品種的基因組數據，通過分蘗表型與根際微生物組數據的關聯分析，揭示了根際微生物組與水稻分蘗數間的密切聯系。根際微生物組對分蘗數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多樣性和β多樣性均與水稻分蘗數存在顯著關聯。在兩個獨立試驗田環境中，研究人員鑒定出12個與分蘗數顯著相關的細菌菌屬：7個正相關菌屬和5個負相關菌屬。

利用水稻根際細菌資源庫，研究人員選擇分蘗相關屬的關鍵菌株在實驗室和田間環境下進行功能驗證。結果顯示，Roseateles R780和Piscinibacter R1801兩類細菌顯著促進分蘗，而Exiguobacterium R2567、Burkholderia R2488和Pleomorphomonas R1405三類細菌則顯著抑制分蘗。為了檢測調控分蘗的功能是否依賴于植物激素獨腳金內酯通路，團隊檢測了功能菌處理下獨腳金內酯的合成及信號轉導狀態，同時在獨腳金內酯合成突變體（d27）及信號突變體（d14）中進行表型驗證。發現Roseateles R780和Exiguobacterium R2567對分蘗的調控依賴于水稻獨腳金內酯途徑，但以不同方式發揮功能：Roseateles R780的促進作用依賴于獨腳金內酯的合成及信號轉導，而Exiguobacterium R2567的抑制作用更依賴于獨腳金內酯信號轉導。

為了探索Exiguobacterium R2567抑制分蘗的分子機制，研究人員測試并明確了Exiguobacterium R2567調控分蘗活性源于菌代謝物，并成功分離出關鍵活性分子S6，經LC-MS及NMR鑒定其為環二肽cyclo(Leu-Pro)。實驗表明，cyclo(Leu-Pro)可以促進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)復合物的高分辨率晶體結構，并結合通過MST、BLI、YLG等分子互作實驗，揭示了cyclo(Leu-Pro)與OsD14的作用細節，及其與獨腳金內酯功能類似物rac-GR24在結合方式上的高度相似性。遺傳證據表明，在突變體d14上cyclo(Leu-Pro)喪失了調控OsD53蛋白含量和水稻分蘗的作用。

cyclo(Leu-Pro)可以模擬獨腳金內酯功能，直接結合獨腳金內酯受體OsD14并激活獨腳金內酯信號，抑制水稻分蘗。這一發現顛覆了植物內源激素獨腳金內酯調控分蘗的傳統認知，證明微生物代謝物同樣可以精準操縱水稻分蘗過程。

上述研究由白洋團隊、中國科學院遺傳與發育生物學研究所研究員/崖州灣實驗室李家洋院士團隊、華南農業大學農學院教授儲成才團隊、南方科技大學研究員黃安誠團隊、中山大學腫瘤防治中心研究員高嵩團隊合作完成，成為植物-根際微生物互作研究的范例。

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cell.2025.03.043