2023/4/24

中國科學家發(fā)現(xiàn):精準微生物組可以高效提升農(nóng)作物產(chǎn)量

在農(nóng)業(yè)領域，科學家投入了大量的人力物力，研究農(nóng)作物的功能基因，用以改良植物性狀，目前已取得顯著成效，但作物基因改良存在育種周期比較長等問題。另一方面，越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，植物微生物組可以提高植物抗旱、抗病等重要抗逆性狀，促進氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用效率，廣泛參與調(diào)控植株生長發(fā)育等多個生物學過程，并影響最終作物產(chǎn)量和品質(zhì)。近日，中國科學家在《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種生長和產(chǎn)量表型數(shù)據(jù)，整合全基因組關聯(lián)分析、宏基因組關聯(lián)分析和微生物組全基因組關聯(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——基因型依賴的微生物效應，提出 “農(nóng)業(yè)精準微生物組”概念，為農(nóng)業(yè)微生物組的精準施用奠定了理論基礎。論文共同通訊作者、中科院分子植物科學卓越創(chuàng)新中心研究員王二濤介紹，植物自定植于陸地以來，便與微生物形成密切的共生關系。微生物可以擴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為是植物的第二套基因組?！白魑锘蛐退坪醪蛔阋越忉屗修r(nóng)藝性狀的變異，使得人們無法直接通過基因工程和育種來提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。迄今為止，科學家仍然沒有找到?jīng)Q定谷子產(chǎn)量的關鍵性基因位點。因此，理解谷子遺傳和環(huán)境因素對產(chǎn)量的影響就顯得更為重要?！闭撐墓餐ㄓ嵶髡?、深圳華大生命科學研究院農(nóng)業(yè)基因組學國家重點實驗室副主任劉歡說。“植物相關微生物群落的構建并不是隨機的，而是受到植物基因型的影響，但其潛在的互作機制并不清楚。”王二濤說，部分微生物對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，被稱為可遺傳微生物。劉歡解釋說，植物周圍的微生物會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)境會有所不同，因此可以通過與微生物的定向互作來調(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，相同的互作模式會在下一代的植物與環(huán)境微生物中重復。該研究通過構建數(shù)學模型，量化了谷子基因型SNPs與根系微生物群對谷子生長和產(chǎn)量的影響。研究發(fā)現(xiàn)，谷子基因型可以解釋產(chǎn)量性狀（如單株粒重）34.10%的變化，微生物可以解釋43.31%的變化，基因型和微生物一起可以解釋55.87%的變化，表明谷子基因型與微生物組共同決定谷子的生長和產(chǎn)量性狀?？蒲袌F隊基于SNPs全基因組關聯(lián)分析的方法，計算不同微生物單元（operationaltaxonomicunit，OTU）的遺傳力，發(fā)現(xiàn)根系微生物群的組成變化主要由植物免疫、代謝產(chǎn)物合成、激素信號傳導及養(yǎng)分吸收相關的基因來驅(qū)動。其中，宿主免疫基因FLS2和轉錄因子bHLH35與谷子根系微生物類群廣泛關聯(lián)。比較分析發(fā)現(xiàn)，谷子的遺傳類群與高粱和玉米的遺傳類群高度重疊，表明植物及其微生物群在宿主間具有相似的共進化模式。該研究構建“谷子基因型-標記微生物群-谷子農(nóng)藝表型”三角互作網(wǎng)絡，并通過對網(wǎng)絡的關鍵節(jié)點進行菌株接種驗證，發(fā)現(xiàn)根系微生物調(diào)控作物農(nóng)藝性狀依賴宿主植物的基因型。為了進一步了解谷子根表微生物的基因調(diào)控機制，研究人員篩選到宿主免疫相關的基因FLS2和轉錄因子bHLH35。它們與不同微生物類群的組成變化顯著相關。劉歡解釋說，F(xiàn)LS2是植物的一種免疫反應相關基因，通過感應細菌的鞭毛蛋白FLG22引發(fā)植物一系列免疫反應，參與到植物與微生物的互作中。而bHLH35是一類轉錄因子，參與到植物響應寒冷、干旱以及生物脅迫壓力的過程中，可以提高植物對干旱的耐受力。

根據(jù)分析結果，他們發(fā)現(xiàn)，免疫相關的基因FLS2和轉錄因子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)和生物脅迫反應的方式來影響根表微生物的組成變化。

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

隨后，他們分別將具有促進和抑制生長作用的標記微生物接種到與之相關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。而相同的抑制生長的菌株接種到等位基因型谷子品種里，其抑制生長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的效果受到基因型的影響。

“簡單說，微生物對不同品種谷子生長的促進和抑制作用與谷子的基因型有關。微生物與谷子基因型的互作，影響其作用的效果。”劉歡說。

“我們在植物基因型與根系微生物互作研究領域走出第一步，將進一步孵化完善精準種植模式，將DNA層面的精準育種和微生物生態(tài)肥料、水肥一體化、全程田間管理、精準播種等現(xiàn)代種植技術結合，建設標準化種植示范區(qū)，促進作物生產(chǎn)最大化。”劉歡說。在未來的農(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，通過精準的微生物組管理設計高產(chǎn)品種，更加高效地促進農(nóng)作物產(chǎn)量提升。