近日，雜交水稻全國重點實驗室/岳麓山實驗室張德詠、蘇品團隊聯(lián)合中國農(nóng)科院植保所、英國南安普頓大學(xué)在微生物學(xué)頂級國際期刊Microbiome （IF5Y=16.6）發(fā)表了題為“Host metabolites explain microbiome variation between different rice genotypes”的研究論文。該論文報道了2個水稻新M基因OsC4H2和OsPAL06，并全面、系統(tǒng)揭示了水稻M基因作為葉際微生物組組裝的驅(qū)動因子，通過調(diào)控特定的苯丙素類化合物合成，選擇性抑制/富集微生物群體，實現(xiàn)對功能微生物組的結(jié)構(gòu)化塑造。研究結(jié)果為水稻微生物組精準編輯、微生物組工程提供了關(guān)鍵理論依據(jù)。

 

　　植物的形成最早起源于十多億年前的真核細胞吞噬藍藻事件，其是典型的微生物互作事件，之后幾億年時間逐漸從低等植物演化到高等植物。因此，植物一生中時刻都在與微生物及環(huán)境因子共存和博弈。病原物、害蟲、干旱、高鹽、高低溫等逆境因素不斷干擾植物的健康生長，尤其對農(nóng)作物高質(zhì)量、安全生產(chǎn)造成嚴重威脅。之前研究顯示，植物對抗逆境的策略并非“單打獨斗”，而是通過抑制/富集特定微生物群體，塑造有利于抵御逆境的植物微生物組。植物對自身微生物組的塑造能力是其能適應(yīng)環(huán)境的關(guān)鍵因素。植物如何塑造健康微生物組？人類如何通過精準編輯構(gòu)建植物健康微生物組，從而使農(nóng)作物獲得持久、廣譜、穩(wěn)定的抗病蟲、抗逆性狀，是近年來植保、育種領(lǐng)域持續(xù)關(guān)注的熱點問題。然而，植物塑造微生物組的分子機制研究仍有待深入。本團隊于2024年在《Nature communications》以題為“Microbiome homeostasis on rice leaves is regulated by a precursor molecule of lignin biosynthesis”（全文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-44335-3）首次揭示植物M基因（Microbiome genes ）在塑造葉際抗病微生物組，維持葉際穩(wěn)態(tài)中的關(guān)鍵作用。其中，苯丙素是M基因調(diào)控微生物組塑造的重要介質(zhì)。在本研究中，團隊進一步對水稻葉組織中4-羥基肉桂酸、阿魏酸、咖啡酸、芥子酸、L-苯丙氨酸以及1種苯丙素衍生物東莨菪內(nèi)酯在110個水稻品種間的含量差異進行了質(zhì)譜定量分析，發(fā)現(xiàn)這6種苯丙素含量與水稻基因型呈顯著關(guān)聯(lián)。

 

　　同時，在室內(nèi)可控環(huán)境條件下通過16s rDNA高通量測序進行葉際微生物組表征，發(fā)現(xiàn)水稻微生物組變異同樣具有宿主遺傳依賴性。

 

　　為了解析苯丙素與微生物組變異的潛在關(guān)聯(lián)，該研究通過冗余分析（RDA），揭示苯丙素在不同水稻基因型的含量差異可解釋35.6%的葉際微生物組變異，明確了苯丙素在微生物組組裝調(diào)控的重要作用。

 

　　研究團隊隨即重點關(guān)注了植物微生物組中的一個重要組分，伯克霍爾德氏目（Burkholderiales）細菌。通過對水稻自然變異群體的遺傳單倍型分析發(fā)現(xiàn)，OsC4H2和OsPAL06的遺傳單倍型間呈現(xiàn)阿魏酸含量和伯克霍爾德氏目細菌豐度的緊密關(guān)聯(lián)，在阿魏酸含量更高的單倍型中，伯克霍爾德氏目細菌豐度更低，由此推測OsC4H2和OsPAL06參與阿魏酸合成并調(diào)控伯克霍爾德氏目細菌富集，具備典型的M基因特征。

 

　　為了證實推測，團隊以粳稻ZH11為背景，分別構(gòu)建了OsC4H2和OsPAL06的敲除和過表達水稻株系，通過靶向代謝分析、微生物組表征、體外生物測定等手段，證明了這2個基因通過正向調(diào)控阿魏酸合成，抑制伯克霍爾德氏目細菌富集，行使M基因?qū)λ疚⑸锝M塑造的功能。

 

　　該研究進一步明確了通過編輯M基因可精準調(diào)控植物微生物組，新M基因的發(fā)掘與功能解析為定向培育作物新品種，賦予作物抗病蟲、抗逆的功能微生物組，提供了全新思路和基因靶標。

 

　　本項工作得到柏連陽院士的全程指導(dǎo)。湖南省農(nóng)科院雜交水稻全國重點實驗室/岳麓山實驗室張德詠研究員、劉勇研究員、英國南安普頓大學(xué)Tomislav Cernava教授為共同通訊作者。湖南省農(nóng)科院/岳麓山實驗室蘇品研究員、中國農(nóng)科院康厚祥研究員、海南大學(xué)彭謙澤博士、湖南省農(nóng)科院彭偉業(yè)博士后為共同第一作者。湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)唐前君教授等多位專家參與此項工作。本研究得到國家重點研發(fā)計劃（2023YFD1400200、2022YFD1400700）以及國家自然科學(xué)基金國際合作項目（32470050、U24A20405、32261143468）等項目的聯(lián)合資助。

 

　　原文鏈接：https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-025-02181-z