微生物被稱為“地球之王”，幾乎與所有動植物的生長生活息息相關。但相同物種不同基因型品種對微生物的互作是否有選擇性，有待深入研究。

近日，中國科學家在《自然-通訊》發表研究論文，基于827份不同品種谷子基因組的遺傳變異數據、根表微生物數據，以及12種生長和產量表型數據，整合全基因組關聯分析、宏基因組關聯分析和微生物組全基因組關聯分析，揭示了谷子基因型、根系微生物組與農藝性狀之間的互作網絡，并首次提出基因型依賴的微生物效應。

谷子產量關鍵基因尚未找到

粟為禾本科狗尾草屬一年生草本植物，北方統稱“谷子”，去皮后稱“小米”。谷子是中國古代的“五谷”之首，是哺育中華民族的作物，中國也是世界上種植谷子最大的起源中心。

論文共同通訊作者、深圳華大生命科學研究院(以下簡稱華大)農業基因組學國家重點實驗室副主任劉歡告訴《中國科學報》，從2009年起，華大就開展以谷子作為模式植物的研究。通過大規模的谷子基因資源挖掘，相繼完成谷子基因組測序、分子標記開發、遺傳圖譜構建以及重要農藝性狀的定位;基于全基因組育種技術，育成多個抗除草劑品種和不育系。

“然而，作物基因型似乎不足以解釋所有農藝性狀的變異，使得人們無法直接通過基因工程和育種來提高作物的產量和品質。迄今為止，科學家仍然沒有找到決定谷子產量的關鍵性基因位點。因此，理解谷子遺傳和環境因素對產量的影響就顯得更為重要。”劉歡說。

論文共同通訊作者、中科院分子植物科學卓越創新中心研究員王二濤介紹，植物自定植于陸地以來，便與微生物形成密切的共生關系。微生物可以擴大其植物宿主的基因組和代謝潛能，改善植物健康，提高植物產量，促進農業系統的可持續性。像人的腸道微生物組被稱為人體第二套基因組一樣，植物微生物組也被認為是植物的第二套基因組。

劉歡說，通過研究植物基因型與微生物組之間的關系，探究植物與微生物潛在的互作機制，有助于深入理解根系微生物群落構建的生態過程;通過調節與植物基因型相關的微生物組成，可定向改善植物對環境的適應性和生產力。因此，了解哪些“標記微生物”以及“標記基因”影響植物表型，對于提高作物產量至關重要。

谷子與根際微生物攜手進化

“植物相關微生物群落的構建并不是隨機的，而是受到植物基因型的影響，但其潛在的互作機制并不清楚。”王二濤說，部分微生物對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，被稱為可遺傳微生物。

劉歡解釋說，植物周圍的微生物會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圍的微環境會有所不同，因此可以通過與微生物的定向互作來調節其根系微生物的組成。植物可以通過基因型定向影響部分特定微生物類群在其根系周圍定植，相同的互作模式會在下一代的植物與環境微生物中重復。

論文共同第一作者、華大王亞玉博士介紹，因為植物可以通過根系分泌物、免疫以及激素調節其周圍微生物的組成，所以他們假設微生物是植物的一種表型。他們挖掘到與植物免疫、代謝產物合成、激素信號傳導以及養分吸收相關的基因，其與微生物的組成變化顯著相關。但這些基因是否能真正調節微生物組成，還需要通過植物突變體實驗進一步驗證。

他們還鑒定出與6種關鍵農藝性狀顯著相關的微生物，通過田間分離微生物菌株，證實微生物標志物具有介導促進或抑制生長的效應，且不同微生物標志物促生長的機理具有菌株特異性。

論文共同第一作者、中科院分子植物科學卓越創新中心博士后王孝林說，他們將谷子根表的可遺傳微生物與高粱和玉米的根際可遺傳微生物類群進行了比較。結果發現，這3種禾本科作物根際的前100種高可遺傳微生物類群絕大部分都來自芽孢桿菌目、放線菌目、伯克氏菌目、根瘤菌目、黏球菌目、鞘氨醇桿菌目和黃單胞菌目等7個細菌目，說明這些目的微生物對玉米、高粱以及谷子基因組的遺傳變異比較敏感。

“谷子的高可遺傳微生物與高粱和玉米高度重疊，說明植物與其微生物群間存在相似的共進化關系。”王孝林說。

將助力挖掘高產谷子的育種進程

為了進一步了解谷子根表微生物的基因調控機制，研究人員篩選到宿主免疫相關的基因FLS2和轉錄因子bHLH35。它們與不同微生物類群的組成變化顯著相關。

劉歡解釋說，FLS2是植物的一種免疫反應相關基因，通過感應細菌的鞭毛蛋白FLG22引發植物一系列免疫反應，參與到植物與微生物的互作中。而bHLH35是一類轉錄因子，參與到植物響應寒冷、干旱以及生物脅迫壓力的過程中，可以提高植物對干旱的耐受力。

根據分析結果，他們發現，免疫相關的基因FLS2和轉錄因子bHLH35廣泛參與植物微生物群落的形成過程，說明它們可能通過植物免疫調節和生物脅迫反應的方式來影響根表微生物的組成變化。

王二濤則強調，還有一些基因只與特定的微生物類群顯著相關，僅與一種微生物產生互作。植物依然會通過不同的基因與特定的微生物類群進行互作。

隨后，他們分別將具有促進和抑制生長作用的標記微生物接種到與之相關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。而相同的抑制生長的菌株接種到等位基因型谷子品種里，其抑制生長的效果顯著高于參考基因型谷子品種，說明該菌株抑制生長的效果受到基因型的影響。

“簡單說，微生物對不同品種谷子生長的促進和抑制作用與谷子的基因型有關。微生物與谷子基因型的互作，影響其作用的效果。”劉歡說。

在未來的農業系統中，可朝著改善植物-根系微生態互作的方向育種，通過精準的微生物組管理設計高產品種，更加高效地促進農作物產量提升。

“我們在植物基因型與根系微生物互作研究領域走出第一步，將進一步孵化完善精準種植模式，將DNA層面的精準育種和微生物生態肥料、水肥一體化、全程田間管理、精準播種等現代種植技術結合，建設標準化種植示范區，促進作物生產最大化。”劉歡說。本報記者 李晨

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