近日，南方科技大学黄安诚副教授联合北京大学白洋研究员、崖州湾国家实验室/中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋研究员、华南农业大学储成才教授、中山大学高嵩研究员带领的五个顶尖科研团队联合攻关，在顶级期刊《细胞》（Cell）发表题为“Root microbiota regulates tiller number in rice”的研究成果。

该研究通过整合微生物组学、分子生物学、作物遗传学、天然产物化学及结构生物学等技术，首次系统揭示了根际微生物组调控水稻分蘖的功能与分子机制，成为植物-根际微生物互作研究的教科书级范例。研究利用丰富的菌种资源挖掘调控水稻分蘖的重要菌株，形成“数据挖掘-功能机制解析”的完整闭环，标志着植物微生物组研究从描述性科学迈向功能机制解析与工程化应用的新纪元，为作物增产与粮食安全提供了突破性科技支撑。

微生物环二肽信号分子介导的水稻分蘖调控机制示意图

根际微生物组被誉为植物的“第二基因组”，在植物的生长发育与健康中发挥关键作用。水稻作为全球近半人口的主粮作物，其产量直接影响粮食安全，而分蘖数是决定水稻产量的核心农艺性状，受遗传和多种环境因子调控。长期以来，根际微生物群落是否参与调控分蘖形成及其分子机制，一直是学界未解之谜。阐明这一问题，将为微生物农业应用及作物绿色增产提供革命性突破。

基于182个水稻品种的基因组数据，通过分蘖表型与根际微生物组数据的关联分析，研究团队揭示了根际微生物组与水稻分蘖数之间的密切联系。根际微生物组对分蘖数变异具有显著的解释力（28.2%），且根际微生物组与基因型的互作效应占基因型总解释量的79.9%。通过微生物群落特征与分蘖表型的线性回归分析，根际微生物的α多样性（shannon index）和β多样性（PCo1）均与水稻分蘖数存在显著关联。在两个独立试验田环境中，团队鉴定出12个与分蘖数显著相关的细菌菌属：7个正相关菌属和5个负相关菌属。

利用水稻根际细菌资源库，研究团队筛选出与分蘖相关属关键菌株在实验室和田间环境下进行功能验证。结果显示，Roseateles R780 和 Piscinibacter R1801 显著促进分蘖，而 Exiguobacterium R2567, Burkholderia R2488 和 Pleomorphomonas R1405 则显著抑制分蘖。为了验证调控分蘖的功能是否依赖于植物激素独脚金内酯（SL）通路，团队检测了功能菌处理下SL的合成及信号转导状态，同时在SL合成突变体（d27）及信号突变体（d14）中进行表型验证。发现 Roseateles R780 和 Exiguobacterium R2567 对分蘖的调控依赖于水稻SL途径，但以不同方式发挥功能：Roseateles R780 的促进作用依赖于SL的合成及信号转导，而 Exiguobacterium R2567 的抑制作用更依赖于SL信号转导。

为了探索 Exiguobacterium R2567 抑制分蘖的分子机制，团队测试并明确了 Exiguobacterium R2567 调控分蘖的活性物质源于菌代谢物，并成功分离出关键活性分子S6，经 LC-MS 及 NMR 结构解析，鉴定其为环二肽 cyclo(Leu-Pro)。实验表明，cyclo(Leu-Pro)可模拟SL功能，促进 OsD53 蛋白降解，从而抑制水稻分蘖。通过MST、BLI、YLG等分子互作实验以及蛋白晶体结构解析，揭示了 OsD14 结合 cyclo(Leu-Pro) 的位点与结合SL功能类似物 rac-GR24 的位点高度重合。遗传证据表明，在突变体d14上cyclo(Leu-Pro)丧失了调控 OsD53 蛋白含量和水稻分蘖的作用。

综上所述，cyclo(Leu-Pro)可以模拟SL功能，直接结合SL受体 OsD14 并激活SL信号，抑制水稻分蘖。这一发现颠覆了内源植物激素SL调控分蘖的传统认知，证明微生物代谢物同样可以精准操纵水稻分蘖过程。

南方科技大学博士研究生于经纬、中国科学院遗传与发育生物学研究所/北京大学副研究员张婧赢、中国科学院遗传与发育生物学研究所研究员王冰、徐浩然、博士研究生刘伟东，中山大学王秋霞、崖州湾国家实验室研究员余泓、中国科学院遗传与发育生物学研究所魏金伟为本文的共同第一作者。白洋、李家洋、储成才、黄安诚、高嵩为共同通讯作者。该研究获得了国家重点研发计划、中科院先导专项、国家自然科学基金、深圳市植物基因工程与分子设计重点实验室等项目和新基石科学基金会科学探索奖的支持。

论文链接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00351-4

供稿：生命科学学院

通讯员：付文卿

主图：丘妍

编辑：曾昱雯