白洋团队构建全球首个作物根际"细菌+病毒"基因组数据库

植物根际是招募周围土壤中各种微生物的核心区域。这些微生物定植在根的表面和内部，共同构成根际微生物群落，深刻影响宿主植物，特别是农作物的生长和健康。近年来，植物根际细菌的功能研究和群落分析已成为作物根际微生物群落研究的前沿领域，作物根际细菌和病毒基因组数据库的缺乏，严重限制了该领域的发展。

2025年3月12日，基因功能研究与操控全国重点实验室，北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心，白洋团队在《细胞》（Cell）杂志上发表了题为“Crop root bacterial and viral genomes reveal unexplored species and microbiome patterns”的论文。该研究结合多种作物的根际可培养细菌基因组与宏基因组数据，构建了作物根际细菌基因组数据库（CRBC）和病毒基因组数据库（CRVC），显著扩展了公开可用的作物根际细菌基因组数量约3倍，鉴定的病毒在属水平上50%未被报道。基于以上数据，首次发现了植物根际细菌定植相关的保守遗传通路，并创新性地揭示了作物根际生态系统中未曾探索的细菌-病毒互作规律。

为了探究作物根际微生物群落的基因组序列和功能谱，白洋团队首先建立了一个系统且全面的作物根际细菌基因组数据库（CRBC, 图1）。该数据库包含6699个根际细菌基因组，其中有4618个来自分离培养的细菌株，2081个来自宏基因组拼接获得的未培养细菌基因组。CRBC涵盖了2318个物种，是公共数据库中作物根际细菌基因组物种数的2.8倍约3倍，并将公共可用的作物根际细菌系统发育多样性增加了290.6%。

图1 CRBC和公共数据库中代表性物种的系统发育树

白洋团队系统分析了CRBC和公共数据库中所有高质量、非冗余的基因组，阐明了它们在编码与植物生长促进（PGP）功能相关基因方面的共存模式（图2）。团队观察到，与养分利用、植物激素合成以及对生物和非生物胁迫的抗性相关的基因组特征在作物根际细菌中广泛分布。在6109个高质量根际细菌基因组中，有43.8%编码了至少两种PGP功能，表明根际细菌在支持作物生长方面起着重要作用。

图2 CRBC具有多样的有益功能和众多的代谢基因簇

白洋团队系统分析了多种土壤条件下不同宿主植物的根际宏基因组数据，鉴定了作物根际微生物组中细菌的保守特征（图3）。他们发现，尽管根际微生物组的分类组成受土壤背景和宿主物种的强烈影响，但根际微生物组的功能组成相似，这表明多种作物根际生态系统中存在保守的遗传特征。

图3 不同土壤中多种作物根际细菌微生物群的保守遗传特征

（A.根际细菌的分类组成; B, 根际细菌的功能富集）

病毒与其他微生物之间有着内在的紧密联系，并在自然生态系统中发挥着关键作用。然而，作物根际微生物组研究中目前缺乏系统性的病毒基因组数据库。基于CRBC和公开数据库中的作物细菌基因组，以及来自根际宏基因组的2950万条contig，白洋团队建立了作物根际病毒基因组数据库（CRVC），共识别出了9736个非冗余病毒基因组，其中包含1500多个未报道的病毒新属（图4）。

图4 CRVC代表性物种系统发育树

接下来，白洋团队系统揭示了来自多种作物和土壤来源的根际微生物组中细菌与噬菌体之间的相互作用（图5）。他们发现27%的作物根际高丰度细菌基因组与噬菌体存在关联，并且这些关联表现出对特定细菌科的偏好，包括Burkholderiaceae、Rhizobiaceae、Xanthomonadaceae和Pseudomonadaceae。这些发现凸显了CRBC和CRVC资源在揭示作物根际微生物组内复杂连接网络中的关键作用。

图5 基因组水平揭示作物根际生态系统中细菌和噬菌体的广泛联系

综上所述，与人类和环境微生物基因组资源类似，CRBC和CRVC基因组资源将在植物微生物领域发挥重要作用。大量可用的分离菌株和相应的基因组信息将推动作物根际微生物组研究向机制性、基因组层面的研究进展，最终促进绿色农业的发展。

作物根际细菌和病毒数据库已经与文章同时上线（www.cropmicrobiome.com）。北京大学生命科学学院、北大-清华生命科学联合中心、蛋白质与植物基因研究国家重点实验室白洋研究员为该论文的通讯作者。中国科学院遗传与发育生物学研究所戴睿博士、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工程师刘芳工程师为共同第一作者。该项目受到荷兰瓦赫宁根大学、荷兰乌得勒支大学、以色列耶路撒冷希伯来大学、瑞士巴塞尔大学、广东省科学院微生物研究所等单位合作者的支持。该研究获国家重点研发计划、中科院先导专项、国家自然科学基金和新基石科学基金会科学探索奖等项目资助。

白洋实验室致力于研究根际微生物组中非模式微生物与植物的良性互作机制，成果发表在Cell（2025）、Nature（2015, 2024）、Science（2019）、Nature Biotechnology（2019）、Nature Microbiology（2022）等期刊，欢迎感兴趣的博士后联系并申请加入。

原文链接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00198-9

研究兴趣：

白洋实验室致力于研究微生物组与宿主的良性互作机制，重点关注非模式微生物。这些非模式微生物在微生物组中占据绝大多数，与宿主形成良性互作关系，对宿主的生长与健康至关重要。然而，我们对他们的了解非常有限。实验室的研究方向主要包括：研究方向一：运用微生物组学数据分析、微生物高通量培养和分子遗传学技术，探索根际微生物组对水稻、拟南芥等植物生长与健康所起的作用，以及其潜在的分子机制。研究方向二：基于微生物基因组和宏基因组资源，高效挖掘微生物中尚未被发现的暗物质，探索全新的生物学过程及其在实际应用中的潜力。研究方向三：结合微生物分子遗传学和生物信息学等方法，开发推动微生物组领域发展的关键技术。

实验室主页：https://www.bio.pku.edu.cn/homes/Index/news_cont_jl/16/651.html