白洋团队联合多位顶尖科学家系统解析根际微生物组调控水稻分蘖的功能与机制

植物根际招募了种类繁多的微生物，这些微生物深刻影响着植物的生长发育和健康，帮助植物抵御各种生物胁迫和非生物胁迫。进一步解析根际微生物组如何调控植物表型，尤其是作物重要农艺性状，是根际微生物组研究的前沿热点和实现作物绿色增产提供关键突破口。

水稻作为养育全球近半数人口的主粮作物，其产量直接关系全球粮食安全。分蘖数是决定水稻产量的核心农艺性状，受自身遗传程序（如独脚金内酯遗传通路）和光照、温度等环境因子调控。然而，占据根系生态位的微生物群落是否以及如何介入这一关键农艺性状形成，始终是困扰学界的重要科学问题。

2025年4月22日，北京大学生命科学学院、基因功能研究与操控全国重点实验室、北大-清华生命科学联合中心白洋研究员、崖州湾国家实验室/中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋研究员、华南农业大学储成才教授、南方科技大学黄安诚研究员、中山大学肿瘤防治中心高嵩研究员带领的五个科研团队联合攻关，在《细胞》（Cell）杂志上发表了题为“Root microbiota regulates tiller number in rice”的论文，系统解析根际微生物组调控水稻分蘖的功能与机制。该研究在自然群体水平建立根际微生物组与水稻分蘖变化的相关性，利用实验室及田间实验鉴定到参与调控水稻分蘖的关键菌属。结合遗传学、天然产物化学和结构生物学等技术，发现菌株ExiguobacteriumR2567分泌一种环二肽cyclo(Leu-Pro)，该物质与独脚金内酯（SL）功能类似，可以直接结合SL受体OsD14并激活SL信号转导，从而抑制水稻分蘖的形成。

研究基于182个基因组重测序的水稻品种，通过分蘖表型与根际微生物组数据的关联分析，揭示了根际微生物组与水稻分蘖数之间的密切联系（图1）。根际微生物组对分蘖数变异具有显著的解释力（28.2%），且根际微生物组与基因型的互作效应占基因型总解释量的79.9%。通过微生物群落特征与分蘖表型的线性回归分析，发现根际微生物的α多样性（shannon index）和β多样性（PCo1）均与水稻分蘖数存在显著关联。值得注意的是，在两个独立试验田环境下，鉴定出12个与分蘖数显著相关的细菌菌属，其中包括7个正相关菌属和5个负相关菌属。

图1 群体水平根际微生物组与水稻分蘖相关性分析

利用水稻根际细菌资源库，选取分蘖相关属的菌株在实验室和田间环境下开展功能验证。结果显示，RoseatelesR780和PiscinibacterR1801均显著促进水稻分蘖，而ExiguobacteriumR2567、BurkholderiaR2488和PleomorphomonasR1405则显著抑制水稻分蘖（图2）。

图2 根际微生物调控水稻分蘖

为了验证调控分蘖的功能是否依赖于植物激素独脚金内酯（SL）通路，团队检测了功能菌处理下SL的合成及信号转导状态，同时在SL合成突变体（d27）及信号突变体（d14）中进行表型验证。发现RoseatelesR780和ExiguobacteriumR2567对分蘖的调控依赖于水稻SL途径，但以不同方式发挥功能：RoseatelesR780的促进作用依赖于SL的合成及信号转导，而ExiguobacteriumR2567的抑制作用更依赖于SL信号转导（图3）。

图3 根际微生物通过水稻SL遗传通路调控分蘖

为了探索ExiguobacteriumR2567抑制分蘖的分子机制，团队测试并明确了ExiguobacteriumR2567调控分蘖活性源于菌代谢物，并成功分离出关键活性分子S6，经LC-MS及NMR鉴定其为环二肽cyclo(Leu-Pro)。实验表明，cyclo(Leu-Pro)可重现ExiguobacteriumR2567功能，即促进OsD53蛋白降解，并在实验室和大田环境下显著抑制水稻分蘖的产生（图4）。

图4 ExiguobacteriumR2567分泌cyclo(Leu-Pro)抑制水稻分蘖

为了探究cyclo(Leu-Pro)的作用机制，解析了OsD14-cylco(Leu-Pro)复合物的高分辨率晶体结构，并结合通过MST、BLI、YLG等分子互作实验，揭示了cyclo(Leu-Pro)与OsD14的作用细节，及其与SL功能类似物rac-GR24在结合方式方面高度相似性。遗传证据表明，在突变体d14上cyclo(Leu-Pro)丧失调控OsD53蛋白含量和水稻分蘖的作用。综上说明，cyclo(Leu-Pro)可以模拟独脚金内酯（SL）功能，直接结合SL受体OsD14并激活SL信号，抑制水稻分蘖的形成（图5）。

图5 Cyclo(Leu-Pro)直接结合OsD14激活SL信号抑制水稻分蘖

北京大学白洋研究员，崖州湾国家实验室李家洋研究员，华南农业大学储成才教授，南方科技大学黄安诚研究员，中山大学肿瘤防治中心高嵩研究员为共同通讯作者。中国科学院遗传与发育生物学研究所/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王冰研究员、徐浩然博士、刘伟东博士研究生、南方科技大学于经纬博士研究生、中山大学肿瘤防治中心王秋霞博士、崖州湾国家实验室余泓研究员、中国科学院遗传与发育生物学研究所魏金伟博士为本文的共同第一作者。该研究获国家重点研发计划、中科院先导专项、国家自然科学基金等项目和新基石科学基金会科学探索奖资助。

白洋实验室专注于根际微生物组中非模式微生物与植物的互作机制，致力于发掘微生物的潜在活性物质，并开发微生物领域的前沿技术。该团队的研究成果已在Cell（2篇）、Nature（2篇）、Science、Nature Biotechnology、Nature Microbiology、Nature Protocols等期刊。

原文链接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00351-4