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关于水稻根系微生物调控分蘖数的学术研究报告
2025年6月12日，一项题为“Root microbiota regulates tiller number in rice”的重要研究成果在国际顶尖学术期刊 Cell 上以开放获取形式正式发表。该研究首次系统揭示了植物根系微生物群（root microbiota）与水稻关键农艺性状——分蘖数之间的因果关系，并深入阐明了其分子调控机制。本研究由中国科学院遗传与发育生物学研究所、北京大学、南方科技大学、华南农业大学、中山大学肿瘤防治中心等多个国内外知名研究机构合作完成。论文共同通讯作者为中国科学院遗传与发育生物学研究所的Bai Yang（白洋）研究员、Li Jiayang（李家洋）院士、Chu Chengcai（储成才）研究员，南方科技大学的Huang Ancheng（黄安诚）副教授以及中山大学肿瘤防治中心的Gao Song（高嵩）教授。该研究是植物学、微生物学与作物科学交叉领域的一项里程碑式进展。
一、 研究背景与目的
水稻是全球最重要的粮食作物之一，其产量构成要素中，分蘖数直接决定了最终的有效穗数，是影响产量的核心因素。传统认知中，水稻分蘖主要受植物自身遗传因子（如基因 MOC1, *OsTB1*）和植物激素（特别是独脚金内酯，Strigolactones, SLs）的严格调控，同时光照、温度、土壤养分等环境因素也参与其中。
另一方面，越来越多的证据表明，定殖于植物根际和根内的微生物群落，即根系微生物群，对植物生长、健康及抗逆性至关重要。这些微生物受到宿主植物遗传背景（如水杨酸免疫途径、磷酸盐饥饿反应等）的塑造。尽管已知水稻根系能够招募丰富且动态变化的细菌群落，并且这些群落的组成与水稻基因型及养分利用相关，但根系微生物群是否以及如何调控水稻分蘖这一关键农艺性状，其具体的功能与机制此前完全未知。
因此，本研究旨在探究一个根本性问题：水稻根系微生物群的组成是否与分蘖数相关？如果相关，其背后的因果关系和分子机制是什么？研究团队希望通过回答这些问题，为理解根系微生物如何调控重要农艺性状提供全新见解，并为可持续农业中利用微生物优化作物生长开辟新策略。
二、 详细研究流程与方法
本研究采用从宏观关联到微观机制、从田间观察到实验室验证、从群体筛选到单体功能剖析的多层次、系统性研究策略。主要流程可分为以下几个关键步骤：
田间群体关联分析： 研究首先在田间条件下，对182个已完成基因组测序的、具有广泛遗传多样性的水稻品种（来源于美国农业部水稻种质资源库的微型核心种质）进行了大规模实验。这些品种随机种植在两个独立的田间重复中。在水稻生长关键时期，研究人员同步收集了每个品种的根系样品（用于微生物组成分析）并统计了其分蘖数。总计分析了2128份根系样品，通过对细菌16S rRNA基因进行扩增子测序，获得了18449个扩增子序列变异（ASVs）。利用线性回归模型，量化了根系微生物组成、水稻基因型及其互作对分蘖数变异的贡献率。同时，通过相关性分析，筛选出与分蘖数显著正相关或负相关的细菌属。
因果关系的实验室与田间验证： 为了建立因果关系，研究团队从其水稻细菌培养物库中，分离获取了在关联分析中与分蘖数显著相关的5个属（Exiguobacterium, Burkholderia, Pleomorphomonas为负相关；Roseateles, Piscinibacter为正相关）的代表性细菌分离株。在实验室水培条件下，将这些单一细菌分离株分别接种到野生型水稻（品种：日本晴）幼苗上，观察其对分蘖数的影响。为了确认田间条件下的有效性，研究进一步选取了促蘖和抑蘖效果明显的菌株，在田间进行了接种试验，并同时考察了其对穗数、地上部干重等农艺性状的影响。
调控机制的初步探索——聚焦独脚金内酯（SL）通路： 鉴于SL是调控水稻分蘖的核心激素，研究假设这些根系细菌可能通过影响水稻SL通路来发挥作用。为此，研究首先检测了SL通路关键突变体（d10, d17, d14, *d53*）根系中上述促蘖/抑蘖细菌的丰度变化。接着，选取效应显著的抑蘖菌（Exiguobacterium R2567）和促蘖菌（Roseateles R780），分析了它们对SL信号通路关键抑制蛋白OsD53降解的影响。此外，还通过液相色谱-质谱联用（LC-MS）技术测定了接种细菌后水稻根系分泌物中主要SLs（如4-脱氧独脚金醇，4-Deoxyorobanchol， 4DO）的含量变化，并检测了SL合成相关基因的表达水平。
功能分子的分离、鉴定与功能验证： 为了寻找Exiguobacterium R2567中起作用的活性分子，研究人员采用了生物活性引导的分离策略。首先用乙酸盐提取细菌培养物，获得粗提物，通过诱导OsD53蛋白降解这一生物活性指标，追踪目标化合物。经过反复的硅胶柱层析和半制备高效液相色谱（HPLC）纯化，最终分离得到一个纯的活性化合物。综合运用高分辨率质谱（LC-MS）和核磁共振谱（1D和2D NMR）技术，对该化合物的化学结构进行了精确解析。通过与商业化标准品比对，最终确定了其结构。随后，在实验室和田间条件下，使用化学合成的该化合物处理多种水稻品种（包括籼稻、粳稻等），全面评估其对OsD53降解、分蘖数、根系构型等的影响。
分子作用机制的深入解析——靶点与结构生物学： 为阐明该化合物发挥功能的分子靶点，研究进行了分子对接模拟，预测其与SL受体OsD14的潜在互作。并通过多种生物物理技术进行验证：包括微量热泳动（Microscale Thermophoresis， MST）测定结合常数（Kd）、生物膜层干涉（Biolayer Interferometry， BLI）分析以及基于Yoshimulactone Green (YLG) 荧光底物的水解抑制实验。为在原子水平上揭示结合细节，研究团队成功解析了OsD14与该化合物复合物的高分辨率（1.4 Å）晶体结构。基于结构信息，对预测的关键结合位点氨基酸进行定点突变，并通过MST实验验证了这些突变对结合亲和力的影响。最后，在SL受体突变体*d14*和SL合成突变体*d27*中，验证了该化合物对OsD53降解和分蘖抑制功能的遗传依赖性。
三、 主要研究结果
根系微生物群与水稻分蘖数在群体水平显著相关： 线性模型分析表明，根系微生物组成对分蘖数变异的解释度（28.2%）与水稻基因型（26.9%）相当，且二者互作效应显著，贡献了21.5%的变异，占基因型贡献的79.9%。分蘖数与根系微生物的香农多样性指数及基于Bray-Curtis距离的主坐标分析第一轴均呈显著正相关。跨两个田间重复的一致性分析鉴定出7个与分蘖数正相关的细菌属（如Spirochaeta, Geothrix等）和5个负相关的属（Exiguobacterium, Burkholderia, Pleomorphomonas, Toluomonas, Paenibacillus）。这首次在群体尺度上建立了根系微生物组成与水稻重要农艺性状的强关联。
特定根系细菌成员是分蘖数变化的因果因子： 接种实验确凿证明，从相关属中筛选的细菌分离株能够直接调控水稻分蘖。在实验室水培和田间条件下，Exiguobacterium R2567、Burkholderia R2488和Pleomorphomonas R1405均能显著抑制分蘖（减少13.6%-35.2%），而Roseateles R780和Piscinibacter R1801则显著促进分蘖（增加约11.2%）。田间接种这些细菌还导致了穗数和地上部干重的相应增减，且这些效应与细菌在根部的定殖丰度增加有关。这明确证实了根系微生物成员是调控分蘖的因果因素。
Exiguobacterium R2567通过独脚金内酯（SL）信号通路抑制分蘖： 机制探索发现，Exiguobacterium R2567的处理能快速（3小时内）诱导SL信号通路的关键抑制子OsD53蛋白降解，而促蘖菌Roseateles R780则提高OsD53水平。遗传实验表明，Exiguobacterium R2567的抑蘖效应在SL合成突变体*d27*中依然存在，但在SL受体突变体*d14*中显著减弱，提示该菌可能产生某种能激活SL受体的分子。与此相对，Roseateles R780的促蘖效应完全依赖于完整的SL合成与信号传导。
活性功能分子被鉴定为环二肽Cyclo(Leu-Pro)： 通过活性追踪分离，从Exiguobacterium R2567培养物中成功鉴定出其活性成分为一种环二肽——环(亮氨酸-脯氨酸)（Cyclo(Leu-Pro)）。有趣的是，水稻的存在能刺激该菌产生更多的Cyclo(Leu-Pro)，且该化合物能从水稻根部运输至腋芽。研究表明，Cyclo(Leu-Pro)能模拟天然SL及其合成类似物rac-GR24的功能，在实验室和田间条件下有效诱导OsD53降解、抑制多种水稻品种的分蘖、并影响根系结构（促进主根伸长、减少冠状根等）。
Cyclo(Leu-Pro)直接结合SL受体OsD14并激活信号通路： 生物物理实验证实，Cyclo(Leu-Pro)能以微摩尔级的亲和力（Kd ~2.56 μM）直接结合水稻SL受体OsD14，其结合强度与rac-GR24相当（Kd ~2.15 μM），且不结合结构相似的Karrikin受体OsKAI2。高分辨率晶体结构显示，Cyclo(Leu-Pro)结合在OsD14的经典配体结合口袋中，其结合模式与rac-GR24的ABC环部分相似，通过与Phe186、Trp205、Tyr209、Val269、Ser270等关键氨基酸残基发生疏水相互作用和氢键网络而稳定结合。对这些残基的定点突变均会破坏或削弱Cyclo(Leu-Pro)与OsD14的结合。最终，遗传实验证明Cyclo(Leu-Pro)对OsD53降解和分蘖的抑制作用完全依赖于OsD14受体，但在SL合成突变体中依然有效，这与它作为SL受体激动剂的特性一致。
四、 研究结论与意义
本研究得出核心结论：水稻根系微生物群是调控其分蘖数的重要环境因子。其中，细菌Exiguobacterium R2567通过产生环二肽Cyclo(Leu-Pro)，该分子作为独脚金内酯（SL）受体的激动剂，直接结合并激活水稻SL信号通路，从而抑制分蘖。 这是首次发现微生物来源的分子能够模拟植物激素SL的功能来调控植物发育性状。
科学价值： 1. 开辟了新研究范式： 将植物关键农艺性状（分蘖）的调控框架，从传统的“基因-激素-环境”拓展至“基因-激素-微生物-环境”，强调了根系微生物作为“延伸基因组”或“第二基因组”在塑造植物表型中的核心作用。 2. 揭示了新的调控机制： 发现了微生物代谢产物（环二肽）直接干预植物激素受体信号传导的新机制，为理解植物-微生物互作的化学对话提供了分子范例。 3. 连接了宏观与微观： 成功将田间群体水平的微生物组关联分析、因果验证与实验室微观的分子机制解析无缝衔接，完成了从现象到本质的完整科学论证链条。
应用潜力： 1. 提供新的育种思路： 研究提示，通过筛选或改造能够招募有益微生物（如促蘖菌）或规避有害微生物（如抑蘖菌）的水稻基因型，可以实现“间接”但高效的性状改良。 2. 开发新型微生物制剂： 鉴定出的促蘖和抑蘖细菌，以及关键活性分子Cyclo(Leu-Pro)，为开发用于调控作物分蘖、优化群体结构的微生物肥料或信号分子调控剂提供了直接候选。 3. 推动可持续农业： 通过操纵根系微生物组来调控作物生长，减少对化学激素和肥料的过度依赖，符合绿色、可持续农业的发展方向。
五、 研究亮点
六、 其他有价值的内容
研究还指出了一些有趣的现象和未来方向：例如，分蘖数较多的水稻其根系微生物多样性更高，可能与光合产物增多、根系分泌物更丰富有关；Cyclo(Leu-Pro)也能抑制Exiguobacterium R2567自身的运动性并促进其生物膜形成，这可能有利于该菌在根表的稳定定殖，形成一种积极的反馈调节；此外，在测试的其他高丰度根菌中，有少数也能产生Cyclo(Leu-Pro)，但产量远低于Exiguobacterium R2567，暗示了菌株特异性。作者在讨论与局限性中也指出，未来需要在更多样环境条件下验证此关系，扩大群体规模以鉴定调控这些细菌丰度的水稻基因，并需解析Cyclo(Leu-Pro)激活的完整D3-D14-D53信号复合体结构。这些都为后续研究指明了方向。
这项研究不仅是一项关于水稻分蘖调控的基础科学突破，更为通过微生物组工程实现作物精准改良、服务未来农业提供了坚实的理论依据和创新思路。