分子植物卓越中心等提出“農業精準微生物組”概念

　　10月7日，中國科學院分子植物科學卓越創新中心王二濤研究組和深圳華大生命科學院合作，在《自然-通訊》（Nature Communications）上，發表了題為GWAS, MWAS and mGWAS provide insights into precision agriculture based on genotype-dependent microbial effects in foxtail millet的研究論文。該研究以谷子為模型，揭示基因型、根系微生物組與農藝性狀之間的互作網絡，提出植物“農業精準微生物組”概念，為農業微生物組的精準施用奠定了理論基礎。

　　全基因組關聯研究（genome-wide association studies，GWAS）促進了科學家對植物基因型-表型關聯的理解，但基因型往往不能完全解釋種群內的表型變異。植物根系微生物群可影響植物的表型及其對環境的適應性，被譽為植物的第二基因組，但其對植物的表型和環境適應性的影響在遺傳育種中被長期忽視。該研究基于827份谷子的基因型、根系生物群和生長以及產量等表型數據，通過整合GWAS、微生物組關聯研究（microbiome-wide association studies，MWAS）和微生物組-植物基因組關聯研究（microbiome-genome association studies，mGWAS）等綜合分析方法，探究哪些“標記微生物”與哪些“標記基因”決定植物表型，這對提高作物產量頗為重要。

　　該研究通過構建數學模型，量化了谷子基因型SNPs與根系微生物群對谷子生長和產量的影響。研究發現，谷子基因型可以解釋產量性狀（如單株粒重）34.10%的變化，微生物可以解釋43.31%的變化，基因型和微生物一起可以解釋55.87%的變化，表明谷子基因型與微生物組共同決定谷子的生長和產量性狀。

　　科研團隊基于SNPs全基因組關聯分析的方法，計算不同微生物單元（operational taxonomic unit，OTU）的遺傳力，發現根系微生物群的組成變化主要由植物免疫、代謝產物合成、激素信號傳導及養分吸收相關的基因來驅動。其中，宿主免疫基因FLS2和轉錄因子bHLH35與谷子根系微生物類群廣泛關聯。比較分析發現，谷子的遺傳類群與高粱和玉米的遺傳類群高度重疊，表明植物及其微生物群在宿主間具有相似的共進化模式。該研究構建“谷子基因型-標記微生物群-谷子農藝表型”三角互作網絡，并通過對網絡的關鍵節點進行菌株接種驗證，發現根系微生物調控作物農藝性狀依賴宿主植物的基因型。基于此，研究提出了“農業精準微生物組”概念。

　　在未來的農業系統中，科學家通過精準的微生物組管理設計高產的栽培品種和高效的微生物接種劑，以改善植物-根系微生態互作為方向育種，將更高效地提升農作物產量。研究工作得到國家自然科學基金等的支持。

　　論文鏈接 

谷子基因型-標記微生物-谷子農藝性狀之間的互作網絡