💡这项突破是什么?
2025年5月9日，北京大学白洋实验室联合中国科学院遗传与发育生物学研究所李家洋实验室、华南农业大学储成才实验室在Cell期刊在线发表了题为Rhizosphere microbiome regulates rice tillering via mimicking strigolactone function的研究论文。该研究发现水稻根际细菌Exiguobacterium R2567能够分泌环二肽cyclo(Leu-Pro)模拟植物激素独脚金内酯（Strigolactone, SL）的功能，并结合SL受体OsD14激活SL信号通路，抑制水稻分蘖的产生，证实了“根际微生物-独脚金内酯”是调控水稻分蘖的一条全新通路，为解决水稻分蘖难题、培育分蘖优良的水稻品种提供了全新的思路。
水稻的分蘖数是决定其产量的重要因素之一。过往研究表明，植物激素独脚金内酯（SL）是调控水稻分蘖的关键激素。激素SL的合成或信号发生突变后会导致水稻分蘖数显著变化。但目前仍不清楚在水稻复杂的田间生长环境下，SL通路是否能够稳定调控分蘖数，以及是否有其他通路共同调控水稻分蘖。
根际微生物组对水稻生长至关重要。团队前期构建了水稻根际细菌资源库（nRice），系统鉴定了水稻根际细菌的物种组成及菌株间的互作网络（Cell, 2021; Nature, 2023）。本研究通过对田间环境下水稻群体根际微生物组与分蘖数的相关性进行分析，发现根际微生物与水稻分蘖显著相关，并鉴定了一批与分蘖数高度相关的细菌菌株（图1）。
图1 群体水平根际微生物组与水稻分蘖相关性分析
利用水稻根际细菌资源库，选取分蘖相关属的菌株在实验室和田间环境下开展功能验证。结果显示，Roseateles R780和Piscinibacter R1801均显著促进水稻分蘖，而Exiguobacterium R2567、 Burkholderia R2488和Pleomorphomonas R1405则显著抑制水稻分蘖（图2）。
图2 根际微生物调控水稻分蘖
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（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（图3）。
图3 根际微生物通过水稻 SL遗传通路调控分蘖
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)可重现Exiguobacterium R2567功能，即促进OsD53蛋白降解，并在实验室和大田环境下显著抑制水稻分蘖的产生（图4）。
图4 Exiguobacterium R2567分泌cyclo(Leu-Pro)抑制水稻分蘖
为了探究cyclo(Leu-Pro)的作用机制，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在结合方式方面高度相似性。遗传证据表明，在突变体d14上cyclo(Leu-Pro)丧失调控OsD53蛋白含量和水稻分蘖的作用。综上说明，cyclo(Leu-Pro)可以模拟独脚金内酯（SL）功能，直接结合SL受体OsD14并激活SL信号，抑制水稻分蘖的形成（图5）。
图5 Cyclo(Leu-Pro)直接结合OsD14激活SL信号抑制水稻分蘖
北京大学白洋研究员、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。北京大学/中国科学院遗传与发育生物学研究所张婧赢副研究员、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。该研究获国家重点研发计划、中科院先导专项、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。该团队的研究成果已在Cell（2篇）、Nature（2篇）、Science、Nature Biotechnology、Nature Microbiology、Nature Protocols等期刊。
原文链接：https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(25)00351-4
来源：北京大学生命科学学院
