专家点评Cell | 白洋/李家洋/储成才/黄安诚/高嵩等联合破解调控水稻分蘖的“菌源密码”

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。

2025年4月22日，中国科学院遗传与发育生物学研究所白洋研究员（现任北京大学研究员）、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院士、华南农业大学储成才教授、南方科技大学黄安诚研究员、中山大学肿瘤防治中心高嵩研究员带领的五个顶尖科研团队联合攻关在Cell发表了题为Root microbiota regulates tiller number in rice的重磅研究成果。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范例。该研究充分延续了团队2025年3月在Cell发表的另一篇题为Crop root bacterial and viral genomes reveal unexplored species and microbiome patterns的封面文章（点击查看：），进一步利用丰富的菌种资源挖掘调控水稻分蘖的重要菌株。两项研究形成"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。

田间证据：微生物组与水稻分蘖数显著关联

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。

功能验证：根际微生物成为水稻分蘖“调控器”

利用水稻根际细菌资源库，研究团队选择分蘖相关属的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（Strigolactone, 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。

分子机制：微生物分泌环二肽精准对接“分蘖开关”

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调控分蘖活性源于菌代谢物，并成功分离出关键活性分子S6，经LC-MS及NMR鉴定其为环二肽cyclo(Leu-Pro)。实验表明，cyclo(Leu-Pro)可以促进OsD53蛋白降解，从而抑制水稻分蘖。研究人员随即解析了OsD14-cylco(Leu-Pro)复合物的高分辨率晶体结构，并结合通过MST、BLI、YLG等分子互作实验，揭示了cyclo(Leu-Pro)与OsD14的作用细节，及其与SL功能类似物rac-GR24在结合方式上的高度相似性。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。

中国科学院遗传与发育生物学研究所/北京大学张婧赢副研究员、中国科学院遗传与发育生物学研究所王冰研究员、徐浩然博士、刘伟东博士研究生、南方科技大学于经纬博士研究生、中山大学肿瘤防治中心王秋霞博士、崖州湾国家实验室余泓研究员、中国科学院遗传与发育生物学研究所魏金伟博士为本文的共同第一作者。中国科学院遗传与发育生物学研究所白洋研究员（现任北京大学研究员）、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院士、华南农业大学储成才教授、南方科技大学黄安诚研究员、中山大学肿瘤防治中心高嵩研究员为共同通讯作者。该研究获国家重点研发计划、中国科学院先导专项、国家自然科学基金等项目和新基石科学基金会科学探索奖资助。

白洋实验室专注于根际微生物组中非模式微生物与植物的互作机制，致力于发掘微生物的潜在活性物质，并开发微生物领域的前沿技术。该团队的研究成果发表在Cell（2篇）、Nature（2篇）、Science、Nature Biotechnology、Nature Microbiology、Nature Protocols等期刊。

论文链接：

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

专家点评

谢道昕（中国科学院院士、清华大学教授）

水稻分蘖是决定产量的关键因素之一。分蘖过多可能导致养分分散，成穗率低；分蘖过少则可能浪费光温资源。优化分蘖数量是提高水稻产量的重要手段之一。研究表明，水稻分蘖受到包括独脚金内酯（SL）信号通路在内的许多遗传程序与光温等环境因子的共同调控。然而，根际微生物组这一"植物第二基因组"对于水稻分蘖的调控作用却知之甚少。

白洋、李家洋、储成才、黄安诚、高嵩等团队合作，利用微生物组学、分子生物学、生物化学和结构生物学等交叉学科手段，揭示了根际微生物组调控水稻分蘖的功能及机制。该研究发现水稻分蘖表型与根际微生物群落之间的密切关系。同时，在实验室和大田环境下鉴定了一些稳定调控水稻分蘖的细菌，并首次从Exiguobacterium R2567的分泌物中鉴定到调控分蘖的环二肽cyclo(Leu-Pro)。该活性物质可以与SL受体D14蛋白结合，进而激活下游信号通路，抑制水稻分蘖的数量。鉴于SL受体在高等植物中的保守性，cyclo(Leu-Pro)除了对水稻的分蘖具有调控作用外，还有望拓展到小麦、玉米等其他作物上。

该研究发现微生物通过分泌具有SL类似功能的活性物质调控植物分枝，开创性地将水稻分蘖调控网络拓展至根际微生物-植物遗传网络协同调控的新维度。该成果既具有重要科学意义，又具有重要应用前景，为作物株型精准高效调控、实现作物产量提升奠定了良好基础。

专家点评

沈其荣（中国工程院院士、南京农业大学教授）

土壤中蕴藏着数以万计的微生物群体，构成了一个极为丰富且潜力巨大的功能宝库。其中，群落中的部分微生物成员会被植物特异性地招募到植物根际，在促进植物生长发育和养分吸收及提高抗逆性等方面发挥至关重要的作用。根际微生物已经被证明参与调控根系构型、开花时间等植物生长发育进程，但根际微生物对于植物分蘖这一普遍存在的生物学过程的调控作用，迄今为止仍处于空白状态。

近日，白洋团队联合李家洋团队、储成才团队、黄安诚团队、高嵩团队集中攻关，以主要粮食作物水稻及其根际微生物群落为研究对象，利用多种交叉学科系统解析了根际微生物组调控植物分蘖的机制。研究团队利用水稻根际微生物群落与分蘖表型的相关性分析及功能实验，鉴定群落中调控水稻分蘖的Roseateles R780、Exiguobacterium R2567等功能菌株。结合遗传学、生物化学和结构生物学等技术，证明分蘖抑制菌株Exiguobacterium R2567分泌的环二肽cyclo(Leu-Pro)直接结合SL受体D14，激活SL信号转导，从而抑制水稻分蘖的形成。该研究为作物株型改良及绿色增产提供了崭新的思路。

值得注意的是，该研究并未局限于实验室环境，而是深入田间进行广泛测试，这是根际微生物组研究的一次重要尝试。研究团队发现，Exiguobacterium R2567等菌株及cyclo(Leu-Pro)在大田环境中依然能稳定发挥作用，表明其在实际农业生产中具有应用的巨大潜力。同时，后续可以测试其他作物上是否具有功能保守性，这将为玉米、高梁等易产生无效分蘖的作物提供绿色改良方案。

当今，绿色农业已成为中国农业发展的主旋律，以微生物产品部分替代传统的化肥和农药是绿色农业的重要思路之一。该研究不仅推动了微生物组基础研究向农业工程化应用的转型，更为实现作物生产再上一个新台阶提供了重要科学基础和技术支撑。

专家点评

王二涛 （中国科学院分子植物科学卓越创新中心 研究员）

植物生活在复杂多样的微生物环境中，除与植物建立共生关系的微生物外，还存在大量但功能未知的微生物，这些在植物生长发育中扮演着不可或缺的角色，尤其在农业作物的增产增效方面越来越受到关注。水稻是全球主要粮食作物，其产量的提高对于保障粮食安全至关重要。分蘖是水稻产量形成的核心农艺性状，而根际微生物群落在这一核心性状形成过程中所发挥的作用仍然鲜为人知。

白洋团队与李家洋团队、储成才团队、黄安诚团队、高嵩团队辛勤攻关，首次破解了根际微生物组调控水稻分蘖的领域空白。研究团队在自然群体水平建立根际微生物组与水稻分蘖变化的相关性，鉴定参与调控水稻分蘖的关键菌株。多重证据表明，分蘖抑制菌株Exiguobacterium R2567的功能活性物质为环二肽cyclo(Leu-Pro)，该物质通过与SL功能类似物rac-GR24高度相似的结合方式，直接与SL受体OsD14结合，进而激活SL信号转导来抑制水稻分蘖。该研究进一步拓展了根际微生物组的功能范围，为作物株型调控及产量提高提供了关键资源和理论基础。此外，该研究为探索根际微生物组与植物互作提供了宝贵的范例，有望显著推动该领域在微生物组功能和机制层面的深入探索。

我们注意到，文章中提到了一些能够影响水稻分蘖的细菌，这些细菌可以调控水稻的SL合成量。基于丛枝菌根真菌也受SL的调控，这些影响分蘖的细菌很可能也参与了丛枝菌根真菌的定植过程。通过微生物之间的跨界交流或功能互补，协同调控水稻的株型，这一设想值得我们大胆探索。