小米和谷子最大的區(qū)別，可能在于搜索資料時(shí)如果不把“谷子”帶上，網(wǎng)頁(yè)顯示的結(jié)果都是數(shù)碼產(chǎn)品。谷子，也就是粟米、小米。除了大家熟知的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、深受北方人喜愛外，谷子也是起源于我國(guó)的最古老的作物之一，被譽(yù)為中華民族的哺育作物。而在科學(xué)家眼里，谷子的性狀復(fù)雜，決定其產(chǎn)量的關(guān)鍵性基因位點(diǎn)至今尚未被找到。因此，深入理解影響谷子的遺傳和環(huán)境因素，對(duì)提升其品質(zhì)和產(chǎn)量而言尤為重要。10月7日，由華大主導(dǎo)，聯(lián)合中科院植物分子科學(xué)卓越創(chuàng)新中心在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·通訊》（Nature Communications）發(fā)表研究論文，該研究通過(guò)關(guān)聯(lián)分析，揭示了谷子基因型、根系微生物組與農(nóng)藝性狀之間的互作網(wǎng)絡(luò)，首次提出基因型依賴的微生物效應(yīng)。研究結(jié)果有助于定向改善植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性及其生產(chǎn)力，為生物育種及增產(chǎn)提供新途徑。Nature Communications官網(wǎng)截圖
植物與微生物之間的關(guān)系，有點(diǎn)類似于人與腸道微生物的關(guān)系。正如每個(gè)人體內(nèi)的微生物是不一樣的，不同品種、同一品種不同品系的植物，其根系的微生物類群也是不一樣的。其中，對(duì)植物有益的微生物，能夠幫助抵御干旱、病害等環(huán)境脅迫，促進(jìn)植物健康生長(zhǎng)。既然目前尚未找到?jīng)Q定谷子產(chǎn)量的基因位點(diǎn)，那么，對(duì)于產(chǎn)量問(wèn)題我們能否從其它因素入手解決？譬如，確定不同谷子的基因型對(duì)產(chǎn)量能起到多大的作用？能夠影響谷子產(chǎn)量的微生物是哪些？?jī)烧呤欠謩e作用，還是互相影響谷子產(chǎn)量？為探究谷子與微生物組之間的互作機(jī)理，本次研究團(tuán)隊(duì)選取827種不同品種的谷子，基于每種谷子的基因型數(shù)據(jù)、根表微生物數(shù)據(jù)、12種生長(zhǎng)和產(chǎn)量表型數(shù)據(jù)，整合全基因組關(guān)聯(lián)分析、宏基因組關(guān)聯(lián)分析和微生物組全基因組關(guān)聯(lián)分析方法進(jìn)行系列研究。本次研究團(tuán)隊(duì)在同一環(huán)境中種植了827種谷子，分別研究谷子基因型對(duì)谷子生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響、微生物對(duì)谷子生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響，以及兩者共同對(duì)谷子生長(zhǎng)和產(chǎn)量的影響。通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，研究團(tuán)隊(duì)量化了谷子基因型與根表微生物組成對(duì)谷子生長(zhǎng)和產(chǎn)量變化的影響。例如，谷子基因型可以解釋產(chǎn)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平均可以解釋55.87%的變化。研究發(fā)現(xiàn)，基因型與根表微生物的組合能夠更好地解釋谷子農(nóng)藝表型的變化，揭示了谷子基因型與微生物組共同影響谷子的生長(zhǎng)和產(chǎn)量性狀。哪些微生物能夠影響谷子的生長(zhǎng)和產(chǎn)量？明確了基因型和微生物能夠影響谷子的生長(zhǎng)和產(chǎn)量之后，研究團(tuán)隊(duì)鑒定出200多種微生物，這些微生物與谷子的關(guān)鍵農(nóng)藝性狀顯著相關(guān)，有的對(duì)谷子生長(zhǎng)起顯著促進(jìn)作用，有的則起抑制作用。為驗(yàn)證每種微生物的具體功能，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)田間分離微生物菌株，證實(shí)了微生物標(biāo)志物介導(dǎo)的促生和抑制生長(zhǎng)的效應(yīng)，且不同微生物標(biāo)志物促生長(zhǎng)的機(jī)理具有菌株特異性，也就是說(shuō)，在促生長(zhǎng)的微生物中，有的負(fù)責(zé)促進(jìn)谷子的株高，有的負(fù)責(zé)促進(jìn)根的生長(zhǎng)，有的是通過(guò)促進(jìn)植物的光合作用，有的則是促進(jìn)植物的營(yíng)養(yǎng)吸收，還有的則是促進(jìn)植物的免疫能力，每一種促進(jìn)生長(zhǎng)的微生物，其調(diào)控機(jī)理是不同的。正相關(guān)的標(biāo)記微生物可顯著促進(jìn)谷子的根長(zhǎng)和株高
基因型如何調(diào)控關(guān)鍵微生物？既然揭曉了關(guān)鍵微生物和它們的作用，研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合谷子基因型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找到了調(diào)控谷子根系微生物類群的一些候選基因，發(fā)現(xiàn)根表微生物組成的變化主要由植物免疫、代謝產(chǎn)物合成、激素信號(hào)傳導(dǎo)以及養(yǎng)分吸收相關(guān)的基因來(lái)驅(qū)動(dòng)。正如每個(gè)人的飲食偏好不盡相同，每種谷子對(duì)于微生物的選擇也各有喜愛。研究揭示，盡管谷子有兩個(gè)基因（宿主免疫相關(guān)的基因FLS2和轉(zhuǎn)錄因子bHLH35）可能參與了大部分微生物的調(diào)控，但不同基因型的谷子依然會(huì)選擇特定的微生物類群進(jìn)行互作。基因型+微生物，如何互作影響谷子的生長(zhǎng)？植物相關(guān)微生物群落的構(gòu)建并不是隨機(jī)的，而是受到植物基因型的影響，但其潛在的互作機(jī)制我們?nèi)圆磺宄?。谷子是否通過(guò)基因型調(diào)控微生物，但又被微生物影響了生長(zhǎng)呢？本研究建立了“谷子基因型－標(biāo)記微生物群－谷子農(nóng)藝表型”的互作網(wǎng)絡(luò)，證實(shí)了微生物介導(dǎo)的促生和抑制生長(zhǎng)的效應(yīng)受到宿主基因型的影響，即相同促生菌株，接種到不同基因型的谷子，其促進(jìn)生長(zhǎng)的效果有著明顯的差異，表明谷子基因型決定了微生物對(duì)作物表型的影響。谷子基因型-標(biāo)記微生物-谷子農(nóng)藝性狀之間的互作網(wǎng)絡(luò)
探究植物與微生物組之間的互作機(jī)理，有助于深入理解根系微生物群落構(gòu)建的生態(tài)過(guò)程，通過(guò)調(diào)節(jié)與植物基因型相關(guān)的微生物組成，可定向改善植物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性和生產(chǎn)力。在未來(lái)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，可通過(guò)精準(zhǔn)的微生物組管理設(shè)計(jì)高產(chǎn)的栽培品種，向著改善植物－根系微生態(tài)互作的方向育種，將更加高效地促進(jìn)農(nóng)作物產(chǎn)量的提升。華大的小米情結(jié)由來(lái)已久，從《老汪的小米餐桌》一書可以窺見一斑，而將其作為模式植物進(jìn)行研究，則是從2009年開始的。通過(guò)大規(guī)模的谷子基因資源挖掘，華大已陸續(xù)完成谷子基因組測(cè)序、分子標(biāo)記開發(fā)、遺傳圖譜構(gòu)建以及重要農(nóng)藝性狀的定位。此外，基于全基因組育種技術(shù)，已育成多個(gè)抗除草劑品種和不育系。本次研究項(xiàng)目的主要負(fù)責(zé)人王亞玉表示：“接下來(lái)，我們將進(jìn)一步孵化完善精準(zhǔn)種植模式，把DNA層面的精準(zhǔn)育種和微生物生態(tài)肥料、水肥一體化、全程田間管理、精準(zhǔn)播種等現(xiàn)代種植技術(shù)相結(jié)合，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化種植的示范區(qū)，促使作物生產(chǎn)最大化?！?/section>深圳華大生命科學(xué)研究院農(nóng)業(yè)基因組學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王亞玉博士、中科院植物分子科學(xué)卓越創(chuàng)新中心博士后王孝林為該論文共同第一作者，深圳華大生命科學(xué)研究院農(nóng)業(yè)基因組學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任劉歡研究員，中科院植物分子科學(xué)卓越創(chuàng)新中心王二濤研究員為論文共同通訊作者。該研究得到了農(nóng)業(yè)基因組學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、深圳國(guó)家基因庫(kù)、河南省農(nóng)業(yè)品種改良研究 (2022010401)、云南省重大科技專項(xiàng) (860 202002AA100007) 以及國(guó)家自然基金(32088102) 等基金的資助。
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