根際微生物組被譽為植物的“第二基因組”，在植物的生長發育與健康中發揮關鍵作用。水稻作為全球近半人口的主糧作物，其產量直接影響糧食安全，而分蘗數是決定水稻產量的核心農藝性狀，受遺傳和多種環境因子調控。長期以來，根際微生物群落是否參與調控分蘗形成及其分子機制，一直是學界未解之謎。闡明這一問題，將為微生物農業應用及作物綠色增產提供革命性突破。

2025年4月22日，中國科學院遺傳與發育生物學研究所白洋研究員（現任北京大學研究員）、崖州灣國家實驗室/中國科學院遺傳與發育生物學研究所李家洋院士、華南農業大學儲成才教授、南方科技大學黃安誠研究員、中山大學腫瘤防治中心高嵩研究員帶領的五個頂尖科研團隊聯合攻關在Cell發表了題為Root microbiota regulates tiller number in rice的重磅研究成果。該研究通過整合微生物組學、分子生物學、作物遺傳學、天然產物化學及結構生物學等技術，首次系統揭示了根際微生物組調控水稻分蘗的功能與分子機制，成為植物-根際微生物互作研究的范例。該研究充分延續了團隊2025年3月在Cell發表的另一篇題為Crop root bacterial and viral genomes reveal unexplored species and microbiome patterns的封面文章（點擊查看：），進一步利用豐富的菌種資源挖掘調控水稻分蘗的重要菌株。兩項研究形成"數據挖掘-功能機制解析"的完整閉環，標志著植物微生物組研究從描述性科學邁向功能機制解析與工程化應用的新紀元，為作物增產與糧食安全提供了突破性科技支撐。

田間證據：微生物組與水稻分蘗數顯著關聯

基于182個水稻品種的基因組數據，通過分蘗表型與根際微生物組數據的關聯分析，研究團隊揭示了根際微生物組與水稻分蘗數之間的密切聯系。根際微生物組對分蘗數變異具有顯著的解釋力（28.2%），且根際微生物組與基因型的互作效應占基因型總解釋量的79.9%。通過微生物群落特征與分蘗表型的線性回歸分析，根際微生物的α多樣性（shannon index）和β多樣性（PCo1）均與水稻分蘗數存在顯著關聯。在兩個獨立試驗田環境中，團隊鑒定出12個與分蘗數顯著相關的細菌菌屬：7個正相關菌屬和5個負相關菌屬。

功能驗證：根際微生物成為水稻分蘗“調控器”

利用水稻根際細菌資源庫，研究團隊選擇分蘗相關屬的關鍵菌株在實驗室和田間環境下進行功能驗證。結果顯示，Roseateles R780和Piscinibacter R1801顯著促進分蘗，而Exiguobacterium R2567, Burkholderia R2488和Pleomorphomonas R1405則顯著抑制分蘗。為了驗證調控分蘗的功能是否依賴于植物激素獨腳金內酯（Strigolactone, SL）通路，團隊檢測了功能菌處理下SL的合成及信號轉導狀態，同時在SL合成突變體（d27）及信號突變體（d14）中進行表型驗證。發現Roseateles R780和Exiguobacterium R2567對分蘗的調控依賴于水稻SL途徑，但以不同方式發揮功能：Roseateles R780的促進作用依賴于SL的合成及信號轉導，而Exiguobacterium R2567的抑制作用更依賴于SL信號轉導。

分子機制：微生物分泌環二肽精準對接“分蘗開關”

為了探索Exiguobacterium R2567抑制分蘗的分子機制，團隊測試并明確了Exiguobacterium R2567調控分蘗活性源于菌代謝物，并成功分離出關鍵活性分子S6，經LC-MS及NMR鑒定其為環二肽cyclo(Leu-Pro)。實驗表明，cyclo(Leu-Pro)可以促進OsD53蛋白降解，從而抑制水稻分蘗。研究人員隨即解析了OsD14-cylco(Leu-Pro)復合物的高分辨率晶體結構，并結合通過MST、BLI、YLG等分子互作實驗，揭示了cyclo(Leu-Pro)與OsD14的作用細節，及其與SL功能類似物rac-GR24在結合方式上的高度相似性。遺傳證據表明，在突變體d14上cyclo(Leu-Pro)喪失了調控OsD53蛋白含量和水稻分蘗的作用。

綜上所述，cyclo(Leu-Pro)可以模擬SL功能，直接結合SL受體OsD14并激活SL信號，抑制水稻分蘗。這一發現顛覆了內源植物激素SL調控分蘗的傳統認知，證明微生物代謝物同樣可以精準操縱水稻分蘗過程。

中國科學院遺傳與發育生物學研究所/北京大學張婧贏副研究員、中國科學院遺傳與發育生物學研究所王冰研究員、徐浩然博士、劉偉東博士研究生、南方科技大學于經緯博士研究生、中山大學腫瘤防治中心王秋霞博士、崖州灣國家實驗室余泓研究員、中國科學院遺傳與發育生物學研究所魏金偉博士為本文的共同第一作者。中國科學院遺傳與發育生物學研究所白洋研究員（現任北京大學研究員）、崖州灣國家實驗室/中國科學院遺傳與發育生物學研究所李家洋院士、華南農業大學儲成才教授、南方科技大學黃安誠研究員、中山大學腫瘤防治中心高嵩研究員為共同通訊作者。該研究獲國家重點研發計劃、中國科學院先導專項、國家自然科學基金等項目和新基石科學基金會科學探索獎資助。

白洋實驗室專注于根際微生物組中非模式微生物與植物的互作機制，致力于發掘微生物的潛在活性物質，并開發微生物領域的前沿技術。該團隊的研究成果發表在Cell（2篇）、Nature（2篇）、Science、Nature Biotechnology、Nature Microbiology、Nature Protocols等期刊。

論文鏈接：

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

專家點評

謝道昕（中國科學院院士、清華大學教授）

水稻分蘗是決定產量的關鍵因素之一。分蘗過多可能導致養分分散，成穗率低；分蘗過少則可能浪費光溫資源。優化分蘗數量是提高水稻產量的重要手段之一。研究表明，水稻分蘗受到包括獨腳金內酯（SL）信號通路在內的許多遺傳程序與光溫等環境因子的共同調控。然而，根際微生物組這一"植物第二基因組"對于水稻分蘗的調控作用卻知之甚少。

白洋、李家洋、儲成才、黃安誠、高嵩等團隊合作，利用微生物組學、分子生物學、生物化學和結構生物學等交叉學科手段，揭示了根際微生物組調控水稻分蘗的功能及機制。該研究發現水稻分蘗表型與根際微生物群落之間的密切關系。同時，在實驗室和大田環境下鑒定了一些穩定調控水稻分蘗的細菌，并首次從Exiguobacterium R2567的分泌物中鑒定到調控分蘗的環二肽cyclo(Leu-Pro)。該活性物質可以與SL受體D14蛋白結合，進而激活下游信號通路，抑制水稻分蘗的數量。鑒于SL受體在高等植物中的保守性，cyclo(Leu-Pro)除了對水稻的分蘗具有調控作用外，還有望拓展到小麥、玉米等其他作物上。

該研究發現微生物通過分泌具有SL類似功能的活性物質調控植物分枝，開創性地將水稻分蘗調控網絡拓展至根際微生物-植物遺傳網絡協同調控的新維度。該成果既具有重要科學意義，又具有重要應用前景，為作物株型精準高效調控、實現作物產量提升奠定了良好基礎。

專家點評

沈其榮（中國工程院院士、南京農業大學教授）

土壤中蘊藏著數以萬計的微生物群體，構成了一個極為豐富且潛力巨大的功能寶庫。其中，群落中的部分微生物成員會被植物特異性地招募到植物根際，在促進植物生長發育和養分吸收及提高抗逆性等方面發揮至關重要的作用。根際微生物已經被證明參與調控根系構型、開花時間等植物生長發育進程，但根際微生物對于植物分蘗這一普遍存在的生物學過程的調控作用，迄今為止仍處于空白狀態。

近日，白洋團隊聯合李家洋團隊、儲成才團隊、黃安誠團隊、高嵩團隊集中攻關，以主要糧食作物水稻及其根際微生物群落為研究對象，利用多種交叉學科系統解析了根際微生物組調控植物分蘗的機制。研究團隊利用水稻根際微生物群落與分蘗表型的相關性分析及功能實驗，鑒定群落中調控水稻分蘗的Roseateles R780、Exiguobacterium R2567等功能菌株。結合遺傳學、生物化學和結構生物學等技術，證明分蘗抑制菌株Exiguobacterium R2567分泌的環二肽cyclo(Leu-Pro)直接結合SL受體D14，激活SL信號轉導，從而抑制水稻分蘗的形成。該研究為作物株型改良及綠色增產提供了嶄新的思路。

值得注意的是，該研究并未局限于實驗室環境，而是深入田間進行廣泛測試，這是根際微生物組研究的一次重要嘗試。研究團隊發現，Exiguobacterium R2567等菌株及cyclo(Leu-Pro)在大田環境中依然能穩定發揮作用，表明其在實際農業生產中具有應用的巨大潛力。同時，后續可以測試其他作物上是否具有功能保守性，這將為玉米、高梁等易產生無效分蘗的作物提供綠色改良方案。

當今，綠色農業已成為中國農業發展的主旋律，以微生物產品部分替代傳統的化肥和農藥是綠色農業的重要思路之一。該研究不僅推動了微生物組基礎研究向農業工程化應用的轉型，更為實現作物生產再上一個新臺階提供了重要科學基礎和技術支撐。

專家點評

王二濤 （中國科學院分子植物科學卓越創新中心 研究員）

植物生活在復雜多樣的微生物環境中，除與植物建立共生關系的微生物外，還存在大量但功能未知的微生物，這些在植物生長發育中扮演著不可或缺的角色，尤其在農業作物的增產增效方面越來越受到關注。水稻是全球主要糧食作物，其產量的提高對于保障糧食安全至關重要。分蘗是水稻產量形成的核心農藝性狀，而根際微生物群落在這一核心性狀形成過程中所發揮的作用仍然鮮為人知。

白洋團隊與李家洋團隊、儲成才團隊、黃安誠團隊、高嵩團隊辛勤攻關，首次破解了根際微生物組調控水稻分蘗的領域空白。研究團隊在自然群體水平建立根際微生物組與水稻分蘗變化的相關性，鑒定參與調控水稻分蘗的關鍵菌株。多重證據表明，分蘗抑制菌株Exiguobacterium R2567的功能活性物質為環二肽cyclo(Leu-Pro)，該物質通過與SL功能類似物rac-GR24高度相似的結合方式，直接與SL受體OsD14結合，進而激活SL信號轉導來抑制水稻分蘗。該研究進一步拓展了根際微生物組的功能范圍，為作物株型調控及產量提高提供了關鍵資源和理論基礎。此外，該研究為探索根際微生物組與植物互作提供了寶貴的范例，有望顯著推動該領域在微生物組功能和機制層面的深入探索。

我們注意到，文章中提到了一些能夠影響水稻分蘗的細菌，這些細菌可以調控水稻的SL合成量。基于叢枝菌根真菌也受SL的調控，這些影響分蘗的細菌很可能也參與了叢枝菌根真菌的定植過程。通過微生物之間的跨界交流或功能互補，協同調控水稻的株型，這一設想值得我們大膽探索。