植物根際是招募周圍土壤中各種微生物的核心區域。這些微生物定植在根的表面和内部，共同構成根際微生物群落，深刻影響宿主植物，特别是農作物的生長和健康。近年來，植物根際細菌的功能研究和群落分析已成為作物根際微生物群落研究的前沿領域，作物根際細菌和病毒基因組數據庫的缺乏，嚴重限制了該領域的發展。

2025年3月12日，beat365官方网站、北大-清華生命科學聯合中心、基因功能研究與操控全國重點實驗室，白洋團隊在《細胞》（Cell）雜志上發表了題為“Crop root bacterial and viral genomes reveal unexplored species and microbiome patterns”的論文。該研究結合多種作物的根際可培養細菌基因組與宏基因組數據，構建了作物根際細菌基因組數據庫（CRBC）和病毒基因組數據庫（CRVC），顯著擴展了公開可用的作物根際細菌基因組數量約3倍，鑒定的病毒在屬水平上50%未被報道。基于以上數據，首次發現了植物根際細菌定植相關的保守遺傳通路，并創新性地揭示了作物根際生态系統中未曾探索的細菌-病毒互作規律。

為了探究作物根際微生物群落的基因組序列和功能譜，白洋團隊首先建立了一個系統且全面的作物根際細菌基因組數據庫（CRBC, 圖1）。該數據庫包含6699個根際細菌基因組，其中有4618個來自分離培養的細菌株，2081個來自宏基因組拼接獲得的未培養細菌基因組。CRBC涵蓋了2318個物種，是公共數據庫中作物根際細菌基因組物種數的2.8倍約3倍，并将公共可用的作物根際細菌系統發育多樣性增加了290.6%。

圖1 CRBC和公共數據庫中代表性物種的系統發育樹

白洋團隊系統分析了CRBC和公共數據庫中所有高質量、非冗餘的基因組，闡明了它們在編碼與植物生長促進（PGP）功能相關基因方面的共存模式（圖2）。團隊觀察到，與養分利用、植物激素合成以及對生物和非生物脅迫的抗性相關的基因組特征在作物根際細菌中廣泛分布。在6109個高質量根際細菌基因組中，有43.8%編碼了至少兩種PGP功能，表明根際細菌在支持作物生長方面起着重要作用。

圖2 CRBC具有多樣的有益功能和衆多的代謝基因簇

白洋團隊系統分析了多種土壤條件下不同宿主植物的根際宏基因組數據，鑒定了作物根際微生物組中細菌的保守特征（圖3）。他們發現，盡管根際微生物組的分類組成受土壤背景和宿主物種的強烈影響，但根際微生物組的功能組成相似，這表明多種作物根際生态系統中存在保守的遺傳特征。

圖3 不同土壤中多種作物根際細菌微生物群的保守遺傳特征

（A.根際細菌的分類組成; B, 根際細菌的功能富集）

病毒與其他微生物之間有着内在的緊密聯系，并在自然生态系統中發揮着關鍵作用。然而，作物根際微生物組研究中目前缺乏系統性的病毒基因組數據庫。基于CRBC和公開數據庫中的作物細菌基因組，以及來自根際宏基因組的2950萬條contig，白洋團隊建立了作物根際病毒基因組數據庫（CRVC），共識别出了9736個非冗餘病毒基因組，其中包含1500多個未報道的病毒新屬（圖4）。

圖4 CRVC代表性物種系統發育樹

接下來，白洋團隊系統揭示了來自多種作物和土壤來源的根際微生物組中細菌與噬菌體之間的相互作用（圖5）。他們發現27%的作物根際高豐度細菌基因組與噬菌體存在關聯，并且這些關聯表現出對特定細菌科的偏好，包括Burkholderiaceae、Rhizobiaceae、Xanthomonadaceae和Pseudomonadaceae。這些發現凸顯了CRBC和CRVC資源在揭示作物根際微生物組内複雜連接網絡中的關鍵作用。

圖5 基因組水平揭示作物根際生态系統中細菌和噬菌體的廣泛聯系

綜上所述，與人類和環境微生物基因組資源類似，CRBC和CRVC基因組資源将在植物微生物領域發揮重要作用。大量可用的分離菌株和相應的基因組信息将推動作物根際微生物組研究向機制性、基因組層面的研究進展，最終促進綠色農業的發展。

作物根際細菌和病毒數據庫已經與文章同時上線（www.cropmicrobiome.com）。beat365官方网站、北大-清華生命科學聯合中心、基因功能研究與操控全國重點實驗室白洋研究員為該論文的通訊作者。中國科學院遺傳與發育生物學研究所戴睿博士、北京大學張婧赢副研究員、中國科學院遺傳與發育生物學研究所劉芳工程師為共同第一作者。該項目受到荷蘭瓦赫甯根大學、荷蘭烏得勒支大學、以色列耶路撒冷希伯來大學、瑞士巴塞爾大學、廣東省科學院微生物研究所等單位合作者的支持。該研究獲國家重點研發計劃、中科院先導專項、國家自然科學基金和新基石科學基金會科學探索獎等項目資助。

白洋實驗室緻力于研究根際微生物組中非模式微生物與植物的良性互作機制，成果發表在Cell（2025）、Nature（2015, 2024）、Science（2019）、Nature Biotechnology（2019）、Nature Microbiology（2022）等期刊，歡迎感興趣的博士後聯系并申請加入。

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