Nature Commun | 水稻抗病抗逆育种有望迎来“M gene”新时代

近日，湖南省农科院杂交水稻全国重点实验、中国农业科学院植物保护研究所、英国南安普顿大学等单位合作在Nature communications在线发表了题为Microbiome homeostasis on rice leaves is regulated by a precursor molecule of lignin biosynthesis的研究论文。该研究发现水稻木质素前体4-hydroxycinnamic acid (4-HCA) 定向原位募集有益叶际微生物、抑制有害病原微生物，从而维持水稻叶际“健康态”。定位并克隆了1个控制叶际微生物稳态的M基因（Microbiome-shaping genes) OsPAL02。率先从分子水平解答了植物叶际微生物群落组装与植物遗传、代谢调控的关系（图1），为基于植物微生物组建立植物病害新防控新策略提供理论支撑。

图1 通过叶际微生物定性定量、基因组关联分析、功能验证克隆一个关键M基因OsPAL02

陆地生态系统中，植物叶片为微生物群落提供了最大的生物栖息地，各种有益微生物和潜在病原微生物均共存于植物叶际，相对稳定的叶际微生物群落结构对维持宿主植物健康生长至关重要，对维持农作物的抗病性也至关重要。虽然宿主植物驱动叶际微生物组装的现象广泛存在，但目前对其机制仍然未知。

为了解析农作物宿主驱动叶际微生物组装的机制，该合作团队前期完成了国际水稻遗传多样性群体（包含110个品种）的叶际微生物宏基因组测序及组装（Su, et.al., Scientific Data, 2022），为叶际微生物研究提供了数据资源。本研究中，通过对数据深度挖掘，定性了水稻叶际细菌种类近7000个，同时定量了各个种在110个水稻叶际的丰度值；进而通过开发生物信息学分析方法，对近7000个叶际微生物富集丰度值与110个水稻品种的单核苷酸多态性标记（SNPs）进行全基因组关联分析（GWAS），共鉴定到2,667 个SNPs与496种叶际微生物丰度存在关联，这些SNPs在水稻染色体上富集成235个位点（图1）。对235个位点包含的基因进行代谢通路分析，发现，木质素合成通路中多个基因分别与Pseudomonadales, Burkholderiales, Xanthomonadales目中细菌物种的丰度紧密关联。进一步功能验证结果表明，位于水稻4号染色体的OsPAL02（编码1个苯丙氨酸/酪氨酸脱氨酶）基因是控制4-HCA的关键基因，4-HCA与叶际Pseudomonadales目物种的丰度呈显著正相关。对野生型水稻（对照）、OsPAL02基因敲除与过表达水稻的叶际微生物群体进行逐一分析揭示，4-HCA对Pseudomonas属有益细菌具有特异性募集功能，同时可持续抑制水稻叶际致病性细菌群体Xanthomonas属，进而有效遏制白叶枯病的发生（图2）。该研究系统且完整地阐明了水稻与微生物群落互作中，宿主通过代谢物4-HCA募集Pseudomonas属有益细菌和抑制Xanthomonas属有害病原细菌的遗传与分子机制。

基于该研究结果，作者们在文中提出微生物组塑造基因（M基因)的新概念，M基因是植物中能塑造健康叶际微生物组的优良基因，指出作物抗病育种应将M基因作为选育靶标。M基因的进一步开发和利用有望实现抗病育种与有益微生物群体控害两大领域有机统一，培育更为广谱持久抗病农作物新品种。

图2 OsPAL02基因维持水稻叶际微生物稳态及参与抗病功能

湖南省农业科学院苏品副研究员、中国农业科学院康厚祥副研究员、海南大学彭谦泽博士为共同第一作者。湖南省农科院张德咏研究员、刘勇研究员、英国南安普顿大学Tomislav Cernava教授为共同通讯作者。奥地利格拉茨技术大学Wisnu Adi Wicaksono博士、德国莱布尼茨农业工程与生物经济研究所Gabriele Berg博士、湖南大学隆平分院刘卓欣、马节佳硕士为该研究做出了重要贡献。本研究受到国家重点研发计划（2022YFD1400700 & 2021YFC2600400）以及国家自然科学基金国际合作项目（32261143468）等项目的联合资助。

https://www.nature.com/articles/s41467-023-44335-3