水稻根系微生物组调控分蘖数量的机制研究

作者及发表信息
本研究由Jingying Zhang、Bing Wang、Haoran Xu等来自中国科学院遗传与发育生物学研究所、北京大学、南方科技大学等16个机构的联合团队完成，通讯作者包括Song Gao、Ancheng Huang、Chengcai Chu、Jiayang Li和Yang Bai。研究成果于2025年6月12日发表于国际顶级期刊《Cell》（卷188，页3152-3166），论文标题为《Root microbiota regulates tiller number in rice》。

学术背景
水稻（*Oryza sativa*）是全球40%人口的主粮，其分蘖数（tiller number）是决定产量的关键农艺性状。传统研究认为分蘖受遗传因素（如*MOC1*、*OsTB1*基因）和环境因子（光照、温度）调控，但根系微生物组（root microbiota）对这一过程的影响尚未阐明。近年来，植物-微生物互作研究揭示根系微生物可调控植物生长，但微生物如何直接干预重要农艺性状的分子机制仍属空白。本研究旨在揭示水稻根系微生物组与分蘖数的关联，并解析其作用机制，为可持续农业提供新策略。

研究流程与方法
1. 田间关联分析
- 研究对象：182个基因组测序水稻品种（来自美国农业部水稻种质库），在两块试验田（Field I和II）种植，每品种3-6个生物学重复，共采集2,128份根系样本。
- 方法：通过16S rRNA扩增子测序（18,449个ASVs）分析微生物组成，结合分蘖数统计。使用线性回归模型评估微生物组与基因型对分蘖变异的贡献。
- 创新点：首次在大规模田间群体中量化微生物组对分蘖的影响（贡献率28.2%，与基因型26.9%相当）。

1. 功能菌株筛选与验证

   • 菌株库：从水稻根系分离培养的细菌中，筛选与分蘖正/负相关的5个属（如抑制分蘖的*Exiguobacterium*和促进分蘖的*Roseateles*）。
     
   • 实验设计：实验室水培和田间接种实验，评估菌株对分蘖数、穗数及生物量的影响。例如，Exiguobacterium R2567使分蘖数减少13.6-35.2%。
     
   • 技术亮点：结合高通量培养（high-throughput cultivation）和表型组学分析。
     

2. 分子机制解析

   • 独脚金内酯（Strigolactone, SL）通路验证：
     
     • 发现Exiguobacterium R2567通过降解SL信号抑制因子OsD53（降低59%蛋白水平）激活SL通路，而Roseateles R780则抑制SL合成。
       
     • 遗传实验证实：*Exiguobacterium*的抑蘖效应依赖SL受体OsD14，而*Roseateles*需完整SL合成途径。
       
   • 活性化合物鉴定：
     
     • 从Exiguobacterium R2567中分离出二肽环(亮氨酸-脯氨酸)（cyclo(Leu-Pro)），通过NMR和LC-MS确定结构（分子式C11H18N2O2）。
       
     • 晶体结构解析（1.4 Å分辨率）显示cyclo(Leu-Pro)结合OsD14的疏水口袋（KD=2.56 μM），与SL类似物rac-GR24结合模式相似。
       

3. 功能验证

   • cyclo(Leu-Pro)作用：
     
     • 实验室处理：2 μM cyclo(Leu-Pro)使分蘖数减少50%，且抑制侧根增殖。
       
     • 田间试验：在粳稻（Nipponbare）、籼稻（9311）等多个品种中均表现抑蘖效果。
       
   • 微生物-植物互作反馈：水稻根系分泌物促进*Exiguobacterium*产生cyclo(Leu-Pro)，后者增强细菌生物膜形成，形成正反馈循环。
     

主要结果
1. 微生物组与分蘖的关联：
- 微生物多样性（Shannon指数）与分蘖数呈正相关（r=0.44, p=5.3×10⁻¹⁰）。
- 7个菌属（如*Spirochaeta*）与分蘖正相关，5个菌属（如*Exiguobacterium*）与分蘖负相关。

1. 功能菌株的因果效应：

   • Exiguobacterium R2567田间抑蘖效果显著（p<0.001），同时降低穗数和生物量。
     

2. cyclo(Leu-Pro)的分子机制：

   • 结合OsD14后诱导OsD53降解，激活SL信号通路。
     
   • OsD14点突变（如V194K）完全破坏cyclo(Leu-Pro)结合能力。
     

结论与意义
1. 科学价值：
- 首次发现微生物来源的二肽可模拟植物激素SL的功能，拓展了植物-微生物互作的化学对话机制。
- 揭示根系微生物组作为“第二基因组”调控关键农艺性状的直接证据。

1. 应用潜力：
   
   • 通过调控根系微生物组（如施用*Roseateles*或抑制*Exiguobacterium*）优化分蘖数，减少化肥依赖。
     
   • cyclo(Leu-Pro)可作为新型植物生长调节剂的先导化合物。
     

研究亮点
1. 多组学整合：从田间关联分析到分子机制解析的全链条研究。
2. 创新发现：微生物二肽跨界调控植物激素通路。
3. 方法学突破：结合晶体结构解析与微生物组大数据分析。

局限性
1. 环境因素（如土壤pH）对微生物组-分蘖关联的影响需进一步验证。
2. cyclo(Leu-Pro)与其他受体（如OsKAI2）的互作尚未明确。

数据资源
原始数据已公开于NCBI（Bioproject: PRJNA1232856），晶体结构存入PDB（ID: 9JQG）。