2025年4月22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聯合崖州灣國家實驗室、中國科學院遺傳與發育生物學研究所、華南農業大學、南方科技大學、中山大學等團隊集中攻關，在Cell期刊在線發表了題為“Root microbiota regulates tiller number in rice”的研究論文，首次系統解析根際微生物組調控水稻分蘖的功能與機制。

植物根際招募了種類繁多的微生物，這些微生物深刻影響着植物的生長發育和健康，幫助植物抵禦各種生物脅迫和非生物脅迫。進一步解析根際微生物組如何調控植物表型，尤其是作物重要農藝性狀，是根際微生物組研究的前沿熱點和實現作物綠色增産的關鍵突破口。水稻作為養育全球近半數人口的主糧作物，其産量直接關系全球糧食安全。分蘖數是決定水稻産量的核心農藝性狀，受自身遺傳程序（如獨腳金内酯遺傳通路）和光照、溫度等環境因子調控。然而，占據根系生态位的微生物群落是否以及如何介入這一關鍵農藝性狀形成，始終是困擾學界的重要科學問題。

團隊在自然群體水平建立根際微生物組與水稻分蘖變化的相關性，利用實驗室及田間實驗鑒定到參與調控水稻分蘖的關鍵菌屬。結合遺傳學、天然産物化學和結構生物學等技術，發現菌株Exiguobacterium R2567分泌一種環二肽cyclo(Leu-Pro)，該物質與獨腳金内酯（SL）功能類似，可以直接結合SL受體OsD14并激活SL信号轉導，從而抑制水稻分蘖的形成。

研究基于182個基因組重測序的水稻品種，通過分蘖表型與根際微生物組數據的關聯分析，揭示了根際微生物組與水稻分蘖數之間的密切聯系（圖1）。根際微生物組對分蘖數變異具有顯著的解釋力（28.2%），且根際微生物組與基因型的互作效應占基因型總解釋量的79.9%。通過微生物群落特征與分蘖表型的線性回歸分析，發現根際微生物的α多樣性
（shannon index）和β多樣性（PCo1）均與水稻分蘖數存在顯著關聯。值得注意的是，在兩個獨立試驗田環境下，鑒定出12個與分蘖數顯著相關的細菌菌屬，其中包括7個正相關菌屬和5個負相關菌屬。

圖1 群體水平根際微生物組與水稻分蘖相關性分析

利用水稻根際細菌資源庫，選取分蘖相關屬的菌株在實驗室和田間環境下開展功能驗證。結果顯示，Roseateles R780和Piscinibacter R1801均顯著促進水稻分蘖，而Exiguobacterium R2567、 Burkholderia R2488和Pleomorphomonas R1405則顯著抑制水稻分蘖（圖2）。

圖2 根際微生物調控水稻分蘖

為了驗證調控分蘖的功能是否依賴于植物激素獨腳金内酯（SL）通路，團隊檢測了功能菌處理下SL的合成及信号轉導狀态，同時在SL合成突變體（d27）及信号突變體（d14）中進行表型驗證。發現Roseateles R780和Exiguobacterium R2567對分蘖的調控依賴于水稻SL途徑，但以不同方式發揮功能：Roseateles R780的促進作用依賴于SL的合成及信号轉導，而Exiguobacterium R2567的抑制作用更依賴于SL信号轉導（圖3）。

圖3 根際微生物通過水稻 SL遺傳通路調控分蘖

為了探索Exiguobacterium R2567抑制分蘖的分子機制，團隊測試并明确了Exiguobacterium R2567調控分蘖活性源于菌代謝物，并成功分離出關鍵活性分子S6，經LC-MS及NMR鑒定其為環二肽cyclo(Leu-Pro)。實驗表明，cyclo(Leu-Pro)可重現Exiguobacterium R2567功能，即促進OsD53蛋白降解，并在實驗室和大田環境下顯著抑制水稻分蘖的産生（圖4）。

圖4 Exiguobacterium R2567分泌cyclo(Leu-Pro)抑制水稻分蘖

為了探究cyclo(Leu-Pro)的作用機制，解析了OsD14-cylco(Leu-Pro)複合物的高分辨率晶體結構，并結合通過MST、BLI、YLG等分子互作實驗，揭示了cyclo(Leu-Pro)與OsD14的作用細節，及其與SL功能類似物rac-GR24在結合方式方面高度相似性。遺傳證據表明，在突變體d14上cyclo(Leu-Pro)喪失調控OsD53蛋白含量和水稻分蘖的作用。綜上說明，cyclo(Leu-Pro)可以模拟獨腳金内酯（SL）功能，直接結合SL受體OsD14并激活SL信号，抑制水稻分蘖的形成（圖5）。

圖5 Cyclo(Leu-Pro)直接結合OsD14激活SL信号抑制水稻分蘖

北京大學白洋研究員、崖州灣國家實驗室/中國科學院遺傳與發育生物學研究所李家洋院士、華南農業大學儲成才教授、南方科技大學黃安誠研究員、中山大學腫瘤防治中心高嵩研究員為共同通訊作者。北京大學/中國科學院遺傳與發育生物學研究所張婧赢副研究員、中國科學院遺傳與發育生物學研究所王冰研究員、徐浩然博士、劉偉東博士研究生、南方科技大學于經緯博士研究生、中山大學腫瘤防治中心王秋霞博士、崖州灣國家實驗室餘泓研究員、中國科學院遺傳與發育生物學研究所魏金偉博士為本文的共同第一作者。該研究獲國家重點研發計劃、中科院先導專項、國家自然科學基金等項目和新基石科學基金會科學探索獎資助。

白洋實驗室專注于根際微生物組中非模式微生物與植物的互作機制，緻力于發掘微生物的潛在活性物質，并開發微生物領域的前沿技術。該團隊的研究成果已在Cell（2篇）、Nature（2篇）、Science、Nature Biotechnology、Nature Microbiology、Nature Protocols等期刊。

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