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2023/4/24

中国科学家发现:精准微生物组可以高效提升农作物产量

在农业领域，科学家投入了大量的人力物力，研究农作物的功能基因，用以改良植物性状，目前已取得显著成效，但作物基因改良存在育种周期比较长等问题。另一方面，越来越多的研究发现，植物微生物组可以提高植物抗旱、抗病等重要抗逆性状，促进氮磷等营养物质的吸收利用效率，广泛参与调控植株生长发育等多个生物学过程，并影响最终作物产量和品质。近日，中国科学家在《自然-通讯》发表研究论文，基于827份不同品种谷子基因组的遗传变异数据、根表微生物数据，以及12种生长和产量表型数据，整合全基因组关联分析、宏基因组关联分析和微生物组全基因组关联分析，揭示了谷子基因型、根系微生物组与农艺性状之间的互作网络——基因型依赖的微生物效应，提出 “农业精准微生物组”概念，为农业微生物组的精准施用奠定了理论基础。论文共同通讯作者、中科院分子植物科学卓越创新中心研究员王二涛介绍，植物自定植于陆地以来，便与微生物形成密切的共生关系。微生物可以扩大其植物宿主的基因组和代谢潜能，改善植物健康，提高植物产量，促进农业系统的可持续性。像人的肠道微生物组被称为人体第二套基因组一样，植物微生物组也被认为是植物的第二套基因组。“作物基因型似乎不足以解释所有农艺性状的变异，使得人们无法直接通过基因工程和育种来提高作物的产量和品质。迄今为止，科学家仍然没有找到决定谷子产量的关键性基因位点。因此，理解谷子遗传和环境因素对产量的影响就显得更为重要。”论文共同通讯作者、深圳华大生命科学研究院农业基因组学国家重点实验室副主任刘欢说。“植物相关微生物群落的构建并不是随机的，而是受到植物基因型的影响，但其潜在的互作机制并不清楚。”王二涛说，部分微生物对基因型的变化较敏感，其组成的变化与植物基因型显著相关，被称为可遗传微生物。刘欢解释说，植物周围的微生物会受到植物根系分泌物、激素以及免疫的影响，不同基因型植物根系周围的微环境会有所不同，因此可以通过与微生物的定向互作来调节其根系微生物的组成。植物可以通过基因型定向影响部分特定微生物类群在其根系周围定植，相同的互作模式会在下一代的植物与环境微生物中重复。该研究通过构建数学模型，量化了谷子基因型SNPs与根系微生物群对谷子生长和产量的影响。研究发现，谷子基因型可以解释产量性状（如单株粒重）34.10%的变化，微生物可以解释43.31%的变化，基因型和微生物一起可以解释55.87%的变化，表明谷子基因型与微生物组共同决定谷子的生长和产量性状。科研团队基于SNPs全基因组关联分析的方法，计算不同微生物单元（operationaltaxonomicunit，OTU）的遗传力，发现根系微生物群的组成变化主要由植物免疫、代谢产物合成、激素信号传导及养分吸收相关的基因来驱动。其中，宿主免疫基因FLS2和转录因子bHLH35与谷子根系微生物类群广泛关联。比较分析发现，谷子的遗传类群与高粱和玉米的遗传类群高度重叠，表明植物及其微生物群在宿主间具有相似的共进化模式。该研究构建“谷子基因型-标记微生物群-谷子农艺表型”三角互作网络，并通过对网络的关键节点进行菌株接种验证，发现根系微生物调控作物农艺性状依赖宿主植物的基因型。为了进一步了解谷子根表微生物的基因调控机制，研究人员筛选到宿主免疫相关的基因FLS2和转录因子bHLH35。它们与不同微生物类群的组成变化显著相关。刘欢解释说，FLS2是植物的一种免疫反应相关基因，通过感应细菌的鞭毛蛋白FLG22引发植物一系列免疫反应，参与到植物与微生物的互作中。而bHLH35是一类转录因子，参与到植物响应寒冷、干旱以及生物胁迫压力的过程中，可以提高植物对干旱的耐受力。

根据分析结果，他们发现，免疫相关的基因FLS2和转录因子bHLH35广泛参与植物微生物群落的形成过程，说明它们可能通过植物免疫调节和生物胁迫反应的方式来影响根表微生物的组成变化。

王二涛则强调，还有一些基因只与特定的微生物类群显著相关，仅与一种微生物产生互作。植物依然会通过不同的基因与特定的微生物类群进行互作。

随后，他们分别将具有促进和抑制生长作用的标记微生物接种到与之相关的不同基因型谷子品种里。

例如，相同的促生菌株接种到等位基因型谷子品种里，其促生效果显著高于参考基因型谷子品种，说明这种菌的促生效果受到基因型的影响。而相同的抑制生长的菌株接种到等位基因型谷子品种里，其抑制生长的效果显著高于参考基因型谷子品种，说明该菌株抑制生长的效果受到基因型的影响。

“简单说，微生物对不同品种谷子生长的促进和抑制作用与谷子的基因型有关。微生物与谷子基因型的互作，影响其作用的效果。”刘欢说。

“我们在植物基因型与根系微生物互作研究领域走出第一步，将进一步孵化完善精准种植模式，将DNA层面的精准育种和微生物生态肥料、水肥一体化、全程田间管理、精准播种等现代种植技术结合，建设标准化种植示范区，促进作物生产最大化。”刘欢说。在未来的农业系统中，可朝着改善植物－根系微生态互作的方向育种，通过精准的微生物组管理设计高产品种，更加高效地促进农作物产量提升。