微生物组稳态对钳制植物微生物组中的致病群体（导致稳态失衡，即dysbiosis，的主要群体）、抑制病原菌侵染的发生尤为重要，因此被广泛认为是先发于植物细胞物理屏障、模式触发免疫（pattern-triggered immunity, PTI）、效应蛋白触发免疫（effector-triggered immunity, ETI）的第一道防线。然而，如何靶向操控微生物群体募集，提高微生物组稳态平衡能力，实现植物对病害发生的持续性先发抑制，是近20年来困扰科学家的世界性难题。
2024年1月2日，湖南省农科院刘勇研究员、张德咏研究员团队在Nature Communications发表了题为“Microbiome homeostasis on rice leaves is regulated by a precursor molecule of lignin biosynthesis”的研究论文。该研究发现水稻借助其木质素前体合成基因OsPAL02 合成4-hydroxycinnamic acid（4-HCA）实现叶际微生物有益群体的定向原位募集与稳态构建，从而维持水稻叶际“健康态”，率先从分子水平解答了植物叶际微生物群落组装与植物遗传、代谢调控的关系，为开创基于植物微生物组（microbiome）功能的生物资源利用新技术奠定了理论基础，有望开创M基因（Microbiome-shaping genes)育种新时代。
研究团队联合英国University of Southampton、奥地利Graz University of Technology、中国农业科学院植物保护研究所的领域专家，首先利用国际水稻所（IRRI）建立的多样性群体Rice Diversity Panel II (C-RDP-II)中的110个代表性品种完成了迄今最全面的水稻叶际微生物组物种水平组装解析（Su, et.al., Scientific Data, 2022）。分析揭示，特定叶际物种丰度在不同的分类学水平上均呈现籼/粳稻差异，该差异在优势物种间（目水平）尤为显著，预示水稻遗传变异驱动叶际微生物组特异性组装。团队随即利用近7,000个物种丰度的表型数据与近20,000个水稻SNP位点进行遗传关联（GWAS），获得496个与水稻2,667个SNPs存在关联的优势物种(图1)。
图1. 水稻叶际细菌优势物种丰度的籼/粳稻差异、GWAS物种关联
为进一步解析水稻基因与受控微生物群体的响应关系，团队建立了GWAS hits →regulation pathway → candidate genes screening →metabolomic profiling → function validation的系统分析流程，最终发现植物木质素合成通路phenylpropanoid pathway中多个基因分别调控Pseudomonadales，Burkholderiales， Xanthomonadales目中物种的特异性募集(图2)。
图2. 水稻木质素合成通路phenylpropanoid pathway调控优势物种募集
功能验证表明，位于水稻4号染色体上的OsPAL02（Os040518100，编码1个苯丙氨酸/酪氨酸脱氨酶）基因在籼/粳稻单倍型中差异显著，这种差异导致木质素合成前体4-HCA在粳稻中合成量显著高于籼稻，且与Pseudomonadales目的丰度呈现正相关(图3)。
图3. 木质素合成前体4-HCA合成基因OsPAL02在粳稻中的单倍型差异与对特异群体的募集效应
利用来源于C-RDP-II的水稻叶际微生物培养组（Culturomics）、水稻OsPAL02基因敲除与过表达株系对响应4-HCA的微生物群体进行系统性分析揭示，4-HCA对Pseudomonas属细菌具有特异性募集功能。该募集效应可持续性抑制水稻叶际致病性群体Xanthomonas属细菌，对维持水稻叶片微生物组稳态起到关键作用，从而有效遏制了水稻白叶枯病的发生(图4)。
图4. 利用水稻OsPAL02基因敲除与过表达株系对响应4-HCA微生物群体的系统分析
该研究系统且完整地阐明了水稻与微生物群落互作中，募集Pseudomonas属细菌和抑制Xanthomonas属细菌的遗传与分子机制，实现了在复杂的微生物群落构架内，对靶标群体的“外科手术式”操作。
该文章创新性提出以微生物组为单位的生物防治资源利用理论，突破传统外源施用菌剂的生物防治思维，通过遗传操作手段定向原位募集有益微生物群体，实现对病原菌的先发抑制。基于该研究结果，作者们提出微生物组塑造基因（M基因）的新概念，系统性地提出作物抗病抗逆育种可将M基因作为潜在的选育靶标。M gene 策略可作为继经典R （Resistance）基因育种、编辑S（susceptibility）基因育种策略之后提出的第三大广谱抗病育种新策略。其进一步开发和利用有望实现抗病育种与有益微生物群体控害两大领域的有机统一。
杂交水稻全国重点实验室刘勇研究员、张德咏研究员和英国University of Southampton大学 Tomislav Cernava教授为该论文的共同通讯作者，实验室苏品副研究员、中国农业科学院康厚祥副研究员、海南大学彭谦泽博士为共同第一作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖南省重点研发计划和长沙·中国隆平种业硅谷专项资金的资助。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-44335-3
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