Cell  文献速递

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中文题目：根系微生物群调控水稻分蘖数

发表期刊：Cell

影响因子：44.5

发表时间：2025年4月

通讯作者单位：中国科学院遗传与发育生物学研究所、崖州湾国家实验室/中国科学院遗传与发育生物学研究所、华南农业大学农学院、南方科技大学、中山大学肿瘤防治中心

DOI： 10.1016/j.cell.2025.03.033

 

  01  研究背景   

1. 农业生产中的关键问题

水稻分蘖数直接决定穗数和产量，受遗传（如独脚金内酯信号通路基因 OsD14、OsD53）和环境（如土壤养分、光照）调控，但根系微生物群对分蘖数的影响尚未被研究。

2. 科学空白

根系微生物与植物生长密切相关（如促进养分吸收、抗逆性），但在水稻等主要作物中，微生物是否调控分蘖这一核心农艺性状尚不明确。

独脚金内酯（SL）是抑制分蘖的关键激素，其信号通路已被初步解析，但微生物能否通过模拟 SL 或干扰其通路影响分蘖未知。

3. 研究目标

解析根系微生物群与水稻分蘖数的关联，鉴定关键微生物及其代谢物，并阐明其调控机制。

   02  研究内容   

 

1. 田间群体关联分析

实验设计：在两个田间环境（土壤氮含量不同）种植 182 个水稻品种，采集根系微生物样本（16S rRNA 测序），记录分蘖数。

分析方法：统计根系微生物组成与分蘖数的相关性，评估微生物、基因型及其互作对分蘖数变异的贡献。

筛选与分蘖数显著相关的微生物属（如 Exiguobacterium、Roseateles）。

 

2. 微生物菌株的功能验证

菌株分离：从与分蘖数负相关的属（如 Exiguobacterium）和正相关的属（如 Roseateles）中分离细菌菌株。

接种实验：在实验室水培和田间条件下，将菌株接种至野生型水稻（Nipponbare），观察分蘖数变化。

验证菌株对水稻穗数、干重等农艺性状的影响及根系定殖能力。

 

3. 分子机制解析

代谢物鉴定：分析 Exiguobacterium R2567 培养物提取物，通过生物活性筛选（如 OsD53 蛋白降解）和结构解析（LC-MS、NMR）鉴定关键化合物。

信号通路验证：通过遗传突变体（如 OsD14 突变体d14、OsD53 突变体d53）和生化实验（如微尺度热泳、晶体结构分析），验证化合物与 SL 信号通路的互作机制。

  03  研究结果   

1. 根系微生物与分蘖数的相关性

贡献度：根系微生物组成解释 28.2% 的分蘖数变异，接近基因型（26.9%），两者互作解释 21.5%。

菌群特征：分蘖数与微生物香农多样性（r=0.44, p=5.3×10⁻¹⁰）及菌群结构主坐标（PCoA1, r=0.49, p=2.0×10⁻¹²）显著正相关。

鉴定出 7个正相关属（如 Spirochaeta、Piscinibacter）和 5 个负相关属（如 Exiguobacterium、Burkholderia），其中 Exiguobacterium 丰度越高，分蘖数越少。

 

2. 微生物菌株对分蘖的调控作用

负调控菌株：Exiguobacterium R2567接种使分蘖数减少 13.6%–35.2%，Burkholderia R2488减少 25.1%，且抑制效应在田间条件下可重复。

正调控菌株：Roseateles R780、Piscinibacter R1801使分蘖数增加 9.8%–11.2%，伴随穗数和干重显著增加。

 

3. 关键代谢物及作用机制

cyclo (Leu-Pro) 的鉴定：Exiguobacterium R2567产生环二肽 cyclo(Leu-Pro)，可诱导 OsD53 蛋白降解（3 小时内降解率59%），表型与 SL 类似物 rac-GR24 一致。

分子互作机制：cyclo (Leu-Pro) 直接结合 OsD14 受体（解离常数 Kₚ=2.56 µM），通过疏水相互作用（如 Val194、Trp205 残基）模拟 SL 的结合模式。

在 OsD14 突变体（d14）中，cyclo (Leu-Pro) 无法抑制分蘖，证实其依赖 SL 信号通路。

 

4. 代谢物的特异性与应用潜力

cyclo (Leu-Pro) 仅靶向 OsD14，不与同源受体OsKAI2 结合，具有高特异性。

外源施用 cyclo (Leu-Pro) 可在多种水稻品种（如籼稻 9311、粳稻 Karabaschak）中抑制分蘖，展现出调控株型的潜力。

  04  研究总结   

该研究围绕水稻根系微生物群调控分蘖数展开，通过对 182 个水稻品种的分析，发现根系微生物组成与分蘖数显著相关，其中Exiguobacterium R2567 等菌株通过产生环（亮氨酸 - 脯氨酸）二肽（cyclo (Leu-Pro)）激活独脚金内酯（SL）信号通路，该化合物与 SL 受体 OsD14 结合，降解抑制分蘖的 OsD53 蛋白，从而减少分蘖数，研究为利用根系微生物优化作物生长提供了新策略。

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