微生物被稱為“地球之王”，幾乎與所有動(dòng)植物的生長(zhǎng)生活息息相關(guān)。但相同物種不同基因型品種對(duì)微生物的互作是否有選擇性，有待深入研究。

近日，中國(guó)科學(xué)家在《自然-通訊》發(fā)表研究論文，基于827份不同品種谷子基因組的遺傳變異數(shù)據(jù)、根表微生物數(shù)據(jù)，以及12種生長(zhǎng)和產(chǎn)量表型數(shù)據(jù)，整合全基因組關(guān)聯(lián)分析、宏基因組關(guān)聯(lián)分析和微生物組全基因組關(guān)聯(lián)分析，揭示了谷子基因型、根系微生物組與農(nóng)藝性狀之間的互作網(wǎng)絡(luò)，并首次提出基因型依賴的微生物效應(yīng)。

谷子產(chǎn)量關(guān)鍵基因尚未找到

粟為禾本科狗尾草屬一年生草本植物，北方統(tǒng)稱“谷子”，去皮后稱“小米”。谷子是中國(guó)古代的“五谷”之首，是哺育中華民族的作物，中國(guó)也是世界上種植谷子最大的起源中心。

論文共同通訊作者、深圳華大生命科學(xué)研究院(以下簡(jiǎn)稱華大)農(nóng)業(yè)基因組學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任劉歡告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，從2009年起，華大就開展以谷子作為模式植物的研究。通過大規(guī)模的谷子基因資源挖掘，相繼完成谷子基因組測(cè)序、分子標(biāo)記開發(fā)、遺傳圖譜構(gòu)建以及重要農(nóng)藝性狀的定位;基于全基因組育種技術(shù)，育成多個(gè)抗除草劑品種和不育系。

“然而，作物基因型似乎不足以解釋所有農(nóng)藝性狀的變異，使得人們無(wú)法直接通過基因工程和育種來(lái)提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。迄今為止，科學(xué)家仍然沒有找到?jīng)Q定谷子產(chǎn)量的關(guān)鍵性基因位點(diǎn)。因此，理解谷子遺傳和環(huán)境因素對(duì)產(chǎn)量的影響就顯得更為重要。”劉歡說。

論文共同通訊作者、中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心研究員王二濤介紹，植物自定植于陸地以來(lái)，便與微生物形成密切的共生關(guān)系。微生物可以擴(kuò)大其植物宿主的基因組和代謝潛能，改善植物健康，提高植物產(chǎn)量，促進(jìn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的可持續(xù)性。像人的腸道微生物組被稱為人體第二套基因組一樣，植物微生物組也被認(rèn)為是植物的第二套基因組。

劉歡說，通過研究植物基因型與微生物組之間的關(guān)系，探究植物與微生物潛在的互作機(jī)制，有助于深入理解根系微生物群落構(gòu)建的生態(tài)過程;通過調(diào)節(jié)與植物基因型相關(guān)的微生物組成，可定向改善植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性和生產(chǎn)力。因此，了解哪些“標(biāo)記微生物”以及“標(biāo)記基因”影響植物表型，對(duì)于提高作物產(chǎn)量至關(guān)重要。

谷子與根際微生物攜手進(jìn)化

“植物相關(guān)微生物群落的構(gòu)建并不是隨機(jī)的，而是受到植物基因型的影響，但其潛在的互作機(jī)制并不清楚。”王二濤說，部分微生物對(duì)基因型的變化較敏感，其組成的變化與植物基因型顯著相關(guān)，被稱為可遺傳微生物。

劉歡解釋說，植物周圍的微生物會(huì)受到植物根系分泌物、激素以及免疫的影響，不同基因型植物根系周圍的微環(huán)境會(huì)有所不同，因此可以通過與微生物的定向互作來(lái)調(diào)節(jié)其根系微生物的組成。植物可以通過基因型定向影響部分特定微生物類群在其根系周圍定植，相同的互作模式會(huì)在下一代的植物與環(huán)境微生物中重復(fù)。

論文共同第一作者、華大王亞玉博士介紹，因?yàn)橹参锟梢酝ㄟ^根系分泌物、免疫以及激素調(diào)節(jié)其周圍微生物的組成，所以他們假設(shè)微生物是植物的一種表型。他們挖掘到與植物免疫、代謝產(chǎn)物合成、激素信號(hào)傳導(dǎo)以及養(yǎng)分吸收相關(guān)的基因，其與微生物的組成變化顯著相關(guān)。但這些基因是否能真正調(diào)節(jié)微生物組成，還需要通過植物突變體實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

他們還鑒定出與6種關(guān)鍵農(nóng)藝性狀顯著相關(guān)的微生物，通過田間分離微生物菌株，證實(shí)微生物標(biāo)志物具有介導(dǎo)促進(jìn)或抑制生長(zhǎng)的效應(yīng)，且不同微生物標(biāo)志物促生長(zhǎng)的機(jī)理具有菌株特異性。

論文共同第一作者、中科院分子植物科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士后王孝林說，他們將谷子根表的可遺傳微生物與高粱和玉米的根際可遺傳微生物類群進(jìn)行了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這3種禾本科作物根際的前100種高可遺傳微生物類群絕大部分都來(lái)自芽孢桿菌目、放線菌目、伯克氏菌目、根瘤菌目、黏球菌目、鞘氨醇桿菌目和黃單胞菌目等7個(gè)細(xì)菌目，說明這些目的微生物對(duì)玉米、高粱以及谷子基因組的遺傳變異比較敏感。

“谷子的高可遺傳微生物與高粱和玉米高度重疊，說明植物與其微生物群間存在相似的共進(jìn)化關(guān)系。”王孝林說。

將助力挖掘高產(chǎn)谷子的育種進(jìn)程

為了進(jìn)一步了解谷子根表微生物的基因調(diào)控機(jī)制，研究人員篩選到宿主免疫相關(guān)的基因FLS2和轉(zhuǎn)錄因子bHLH35。它們與不同微生物類群的組成變化顯著相關(guān)。

劉歡解釋說，F(xiàn)LS2是植物的一種免疫反應(yīng)相關(guān)基因，通過感應(yīng)細(xì)菌的鞭毛蛋白FLG22引發(fā)植物一系列免疫反應(yīng)，參與到植物與微生物的互作中。而bHLH35是一類轉(zhuǎn)錄因子，參與到植物響應(yīng)寒冷、干旱以及生物脅迫壓力的過程中，可以提高植物對(duì)干旱的耐受力。

根據(jù)分析結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)，免疫相關(guān)的基因FLS2和轉(zhuǎn)錄因子bHLH35廣泛參與植物微生物群落的形成過程，說明它們可能通過植物免疫調(diào)節(jié)和生物脅迫反應(yīng)的方式來(lái)影響根表微生物的組成變化。

王二濤則強(qiáng)調(diào)，還有一些基因只與特定的微生物類群顯著相關(guān)，僅與一種微生物產(chǎn)生互作。植物依然會(huì)通過不同的基因與特定的微生物類群進(jìn)行互作。

隨后，他們分別將具有促進(jìn)和抑制生長(zhǎng)作用的標(biāo)記微生物接種到與之相關(guān)的不同基因型谷子品種里。

例如，相同的促生菌株接種到等位基因型谷子品種里，其促生效果顯著高于參考基因型谷子品種，說明這種菌的促生效果受到基因型的影響。而相同的抑制生長(zhǎng)的菌株接種到等位基因型谷子品種里，其抑制生長(zhǎng)的效果顯著高于參考基因型谷子品種，說明該菌株抑制生長(zhǎng)的效果受到基因型的影響。

“簡(jiǎn)單說，微生物對(duì)不同品種谷子生長(zhǎng)的促進(jìn)和抑制作用與谷子的基因型有關(guān)。微生物與谷子基因型的互作，影響其作用的效果。”劉歡說。

在未來(lái)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，可朝著改善植物-根系微生態(tài)互作的方向育種，通過精準(zhǔn)的微生物組管理設(shè)計(jì)高產(chǎn)品種，更加高效地促進(jìn)農(nóng)作物產(chǎn)量提升。

“我們?cè)谥参锘蛐团c根系微生物互作研究領(lǐng)域走出第一步，將進(jìn)一步孵化完善精準(zhǔn)種植模式，將DNA層面的精準(zhǔn)育種和微生物生態(tài)肥料、水肥一體化、全程田間管理、精準(zhǔn)播種等現(xiàn)代種植技術(shù)結(jié)合，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化種植示范區(qū)，促進(jìn)作物生產(chǎn)最大化。”劉歡說。本報(bào)記者 李晨

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