2023/4/24

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

在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，科學(xué)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(zhǎng)等問(wèn)題。另一方面，越來(lái)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(jìn)氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用效率，廣泛參與調(diào)控植株生長(zhǎng)發(fā)育等多個(gè)生物學(xué)過(guò)程，并影響最終作物產(chǎn)量和品質(zhì)。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)——基因型依賴(lài)的微生物效應(yīng)，提出 “農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)微生物組”概念，為農(nóng)業(yè)微生物組的精準(zhǔn)施用奠定了理論基礎(chǔ)。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(chēng)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?！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(wú)法直接通過(guò)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(méi)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。”論文共同通訊作者、深圳華大生命科學(xué)研究院農(nóng)業(yè)基因組學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任劉歡說(shuō)。“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?！蓖醵f(shuō)，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(chēng)為可遺傳微生物。劉歡解釋說(shuō)，植物周?chē)奈⑸飼?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?chē)奈h(huán)境會(huì)有所不同，因此可以通過(guò)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(guò)基因型定向影響部分特定微生物類(lèi)群在其根系周?chē)ㄖ?，相同的互作模式?huì)在下一代的植物與環(huán)境微生物中重復(fù)。該研究通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，量化了谷子基因型SNPs與根系微生物群對(duì)谷子生長(zhǎng)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(zhǎng)和產(chǎn)量性狀?？蒲袌F(tuán)隊(duì)基于SNPs全基因組關(guān)聯(lián)分析的方法，計(jì)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(hào)傳導(dǎo)及養(yǎng)分吸收相關(guān)的基因來(lái)驅(qū)動(dòng)。其中，宿主免疫基因FLS2和轉(zhuǎn)錄因子bHLH35與谷子根系微生物類(lèi)群廣泛關(guān)聯(lián)。比較分析發(fā)現(xiàn)，谷子的遺傳類(lèi)群與高粱和玉米的遺傳類(lèi)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(jìn)化模式。該研究構(gòu)建“谷子基因型-標(biāo)記微生物群-谷子農(nóng)藝表型”三角互作網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行菌株接種驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)根系微生物調(diào)控作物農(nóng)藝性狀依賴(lài)宿主植物的基因型。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(lèi)群的組成變化顯著相關(guān)。劉歡解釋說(shuō)，F(xiàn)LS2是植物的一種免疫反應(yīng)相關(guān)基因，通過(guò)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(lèi)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(guò)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(guò)程，說(shuō)明它們可能通過(guò)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(lèi)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(guò)不同的基因與特定的微生物類(lèi)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(shuō)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(shuō)明該菌株抑制生長(zhǎng)的效果受到基因型的影響。

“簡(jiǎn)單說(shuō)，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?！眲g說(shuō)。

“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?！眲g說(shuō)。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(guò)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。