近日，杂交水稻全国重点实验室/岳麓山实验室张德咏、苏品团队联合中国农科院植保所、英国南安普顿大学在微生物学顶级国际期刊Microbiome （IF5Y=16.6）发表了题为“Host metabolites explain microbiome variation between different rice genotypes”的研究论文。该论文报道了2个水稻新M基因OsC4H2和OsPAL06，并全面、系统揭示了水稻M基因作为叶际微生物组组装的驱动因子，通过调控特定的苯丙素类化合物合成，选择性抑制/富集微生物群体，实现对功能微生物组的结构化塑造。研究结果为水稻微生物组精准编辑、微生物组工程提供了关键理论依据。
植物的形成最早起源于十多亿年前的真核细胞吞噬蓝藻事件，其是典型的微生物互作事件，之后几亿年时间逐渐从低等植物演化到高等植物。因此，植物一生中时刻都在与微生物及环境因子共存和博弈。病原物、害虫、干旱、高盐、高低温等逆境因素不断干扰植物的健康生长，尤其对农作物高质量、安全生产造成严重威胁。之前研究显示，植物对抗逆境的策略并非“单打独斗”，而是通过抑制/富集特定微生物群体，塑造有利于抵御逆境的植物微生物组。植物对自身微生物组的塑造能力是其能适应环境的关键因素。植物如何塑造健康微生物组？人类如何通过精准编辑构建植物健康微生物组，从而使农作物获得持久、广谱、稳定的抗病虫、抗逆性状，是近年来植保、育种领域持续关注的热点问题。然而，植物塑造微生物组的分子机制研究仍有待深入。本团队于2024年在《Nature communications》以题为“Microbiome homeostasis on rice leaves is regulated by a precursor molecule of lignin biosynthesis”（全文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-44335-3）首次揭示植物M基因（Microbiome genes ）在塑造叶际抗病微生物组，维持叶际稳态中的关键作用。其中，苯丙素是M基因调控微生物组塑造的重要介质。在本研究中，团队进一步对水稻叶组织中4-羟基肉桂酸、阿魏酸、咖啡酸、芥子酸、L-苯丙氨酸以及1种苯丙素衍生物东莨菪内酯在110个水稻品种间的含量差异进行了质谱定量分析，发现这6种苯丙素含量与水稻基因型呈显著关联。
同时，在室内可控环境条件下通过16s rDNA高通量测序进行叶际微生物组表征，发现水稻微生物组变异同样具有宿主遗传依赖性。
为了解析苯丙素与微生物组变异的潜在关联，该研究通过冗余分析（RDA），揭示苯丙素在不同水稻基因型的含量差异可解释35.6%的叶际微生物组变异，明确了苯丙素在微生物组组装调控的重要作用。
研究团队随即重点关注了植物微生物组中的一个重要组分，伯克霍尔德氏目（Burkholderiales）细菌。通过对水稻自然变异群体的遗传单倍型分析发现，OsC4H2和OsPAL06的遗传单倍型间呈现阿魏酸含量和伯克霍尔德氏目细菌丰度的紧密关联，在阿魏酸含量更高的单倍型中，伯克霍尔德氏目细菌丰度更低，由此推测OsC4H2和OsPAL06参与阿魏酸合成并调控伯克霍尔德氏目细菌富集，具备典型的M基因特征。
为了证实推测，团队以粳稻ZH11为背景，分别构建了OsC4H2和OsPAL06的敲除和过表达水稻株系，通过靶向代谢分析、微生物组表征、体外生物测定等手段，证明了这2个基因通过正向调控阿魏酸合成，抑制伯克霍尔德氏目细菌富集，行使M基因对水稻微生物组塑造的功能。
该研究进一步明确了通过编辑M基因可精准调控植物微生物组，新M基因的发掘与功能解析为定向培育作物新品种，赋予作物抗病虫、抗逆的功能微生物组，提供了全新思路和基因靶标。
本项工作得到柏连阳院士的全程指导。湖南省农科院杂交水稻全国重点实验室/岳麓山实验室张德咏研究员、刘勇研究员、英国南安普顿大学Tomislav Cernava教授为共同通讯作者。湖南省农科院/岳麓山实验室苏品研究员、中国农科院康厚祥研究员、海南大学彭谦泽博士、湖南省农科院彭伟业博士后为共同第一作者。湖南农业大学唐前君教授等多位专家参与此项工作。本研究得到国家重点研发计划（2023YFD1400200、2022YFD1400700）以及国家自然科学基金国际合作项目（32470050、U24A20405、32261143468）等项目的联合资助。
原文链接：https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-025-02181-z
日期：2025-08-12
