在水稻生产中，分蘖数是决定产量的关键农艺性状，传统研究主要关注植物遗传因素和环境因素的影响。然而，作为植物"第二基因组"的根系微生物组是否以及如何调控分蘖数，一直是未解之谜。随着可持续农业的发展，利用有益微生物替代化学肥料和农药成为研究热点，但微生物调控作物重要农艺性状的分子机制尚不清楚。
中国科学院遗传与发育生物学研究所联合北京大学、华南农业大学等机构的研究团队在《Cell》发表重要成果，首次揭示了水稻根系微生物组通过产生类植物激素代谢物调控分蘖数的分子机制。研究人员采用多组学联用技术，结合微生物培养组学、分子生物学和结构生物学等方法，对182个基因组测序水稻品种的田间试验数据进行分析，发现根系微生物组组成与分蘖数显著相关。
关键技术方法包括：1) 对182个水稻品种进行田间栽培和微生物组测序；2) 分离培养与分蘖相关的根系细菌；3) 活性追踪结合LC-MS/NMR鉴定活性物质；4) 显微尺度热泳动(MST)和生物层干涉(BLI)分析蛋白-配体互作；5) X射线晶体学解析蛋白-配体复合物结构。
研究结果首先显示，根系微生物组与水稻分蘖数显著相关。通过分析182个田间栽培水稻品种的根系微生物组，发现微生物组解释28.2%的分蘖数变异，与水稻基因型(26.9%)贡献相当。微生物多样性指数与分蘖数呈显著正相关，鉴定出12个与分蘖数显著相关的细菌属。
随后研究发现，培养的根系细菌分离株可调控水稻分蘖数。从5个相关菌属中筛选的9株细菌在实验室和田间条件下均能稳定调控分蘖，其中Exiguobacterium R2567显著抑制分蘖，而Roseateles R780促进分蘖。这些效应与细菌在根系的定殖量呈正相关。
机制研究表明，Exiguobacterium R2567通过SL通路调控分蘖。该菌不产生SLs，但能诱导SL信号通路关键抑制蛋白OsD53降解。遗传实验证实其抑制分蘖的效应依赖于SL受体OsD14，提示可能存在未知信号分子。
通过活性追踪，研究人员从Exiguobacterium R2567中鉴定出关键活性物质为环(亮氨酸-脯氨酸)二肽。水稻能刺激该菌增产环(亮氨酸-脯氨酸)3-7倍，该物质可被转运至腋芽部位。在92株测试菌株中，6株能产生该物质，但产量仅为R2567的1/27-1/3。
结构生物学研究揭示了环(亮氨酸-脯氨酸)结合OsD14的分子机制。晶体结构显示，该二肽通过疏水作用和氢键结合OsD14活性口袋，结合模式与SL类似物rac-GR24相似。关键结合残基突变会显著降低结合亲和力，证实了相互作用的特异性。
最后，研究人员证实环(亮氨酸-脯氨酸)通过OsD14调控分蘖。该物质能模拟SL功能，抑制野生型水稻分蘖，但对OsD14突变体无效。在粳稻、籼稻和aus稻等多种水稻中均表现出与rac-GR24相当的抑制效果。
该研究首次发现微生物产生的环二肽能模拟植物激素功能，揭示了根系微生物组调控作物农艺性状的新机制。从进化的角度看，植物可能通过"驯化"特定微生物来优化其生长发育。研究成果为利用根系微生物组改良作物产量提供了理论依据，也为开发基于微生物代谢物的新型农业调控剂指明了方向。未来研究可进一步探索微生物-植物-环境三者互作的网络关系，推动可持续农业发展。
