北京時間2022年10月7日，國際學術期刊《自然·通訊》(Nature Communications)發(fā)表了深圳華大生命科學研究院農業(yè)基因組學國家重點實驗室、中科院植物分子科學卓越創(chuàng)新中心等多家單位合作的題為 “GWAS, MWAS and mGWAS provide insights into precision agriculture based on genotype-dependent microbial effects in foxtail millet”的研究論文。

該研究通過關聯(lián)分析，揭示了谷子基因型、根系微生物組與農藝性狀之間的互作網絡，首次提出基因型依賴的微生物效應。值得一提的是，本研究采用華大智造DNBSEQ高通量測序平臺，對菌株接種苗和對照苗進行轉錄組測序，為驗證每種微生物的具體功能提供了數(shù)據(jù)基礎。

谷子，也就是粟米、小米。除了大家熟知的營養(yǎng)價值高、深受北方人喜愛外，谷子也是起源于我國的最古老的作物之一，被譽為中華民族的哺育作物。

而在科學家眼里，谷子的性狀復雜，決定其產量的關鍵性基因位點至今尚未被找到。因此，深入理解影響谷子的遺傳和環(huán)境因素，對提升其品質和產量而言尤為重要。

主要研究成果

本研究基于827份不同品種谷子基因組的遺傳變異數(shù)據(jù)、根表微生物數(shù)據(jù)、12種生長和產量表型數(shù)據(jù)，整合全基因組關聯(lián)分析（GWAS）、宏基因組關聯(lián)分析（MWAS）和微生物組全基因組關聯(lián)分析（mGWAS）方法揭示了谷子基因型、農藝表型和根表微生物組成之間的相互關聯(lián)（圖1）。

圖1 GWAS、MWAS和mGWAS的方法揭示谷子基因型、根表微生物以及谷子農藝表型之間的互作網絡

本研究通過GWAS和MWAS分析量化了谷子基因型與根表微生物組成對谷子生長和產量表型變化的影響，基因型與根表微生物的組合能夠更好的解釋谷子農藝表型的變化，揭示谷子基因型與微生物組共同影響谷子的生長和產量性狀。鑒定出６種關鍵農藝性狀顯著相關的微生物，通過田間分離微生物菌株，證實微生物標志物介導促生和抑制生長效應，且不同微生物標志物促生長的機理具有菌株特異性（圖2）。

圖2 正相關的標記微生物可顯著促進谷子的根長和株高

植物微與生物群落的相互作用，并不是隨機的，而是受到植物基因型的影響，但其互作機制不清。部分微生物對基因型的變化較敏感，組成變化與植物基因型顯著相關，稱為可遺傳微生物。

本研究將谷子根表的可遺傳微生物，與高粱和玉米的根際可遺傳微生物類群進行比較，發(fā)現(xiàn)谷子的高可遺傳微生物與高粱和玉米高度重疊，揭示植物與其微生物群之間存在相似的共進化關系。將谷子根表的微生物群當作表型，通過mGWAS關聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)根表微生物組成的變化主要由植物免疫、代謝產物合成、激素信號傳導以及養(yǎng)分吸收相關的基因來驅動（圖3）。

圖3 調節(jié)谷子根表微生物的基因型以及候選基因位點

研究揭示，宿主免疫相關的基因FLS2和轉錄因子bHLH35與不同的微生物類群的組成變化顯著相關，可能廣泛地參與調節(jié)根表微生物群落結構的形成。盡管如此，植物依然會通過不同的基因與特定的微生物類群進行互作。

本研究建立了谷子基因型－標記微生物群－谷子農藝表型的互作網絡，驗證實驗證實微生物介導的促生和抑制生長的效應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（參考基因型谷子品種和等位基因型谷子品種）的谷子根際，其促進生長的效果有著明顯的差異。表明谷子基因型決定了微生物對作物表型的影響（圖4）。

圖4 谷子基因型-標記微生物—谷子農藝性狀之間的互作網絡以及基因型依賴的微生物促生長反應

本研究探究了植物與微生物組之間的互作機理，有助于深入理解根系微生物群落構建的生態(tài)過程，通過調節(jié)植物基因型相關的微生物組成，可定向改善植物對環(huán)境的適應性和生產力。在未來的農業(yè)系統(tǒng)中可通過精準的微生物組管理設計高產的栽培品種，向著改善植物－根系微生態(tài)互作的方向育種將更加高效的促進農作物產量的提升。

從2009年開始的，通過大規(guī)模的谷子基因資源挖掘，目前已陸續(xù)完成谷子基因組測序、分子標記開發(fā)、遺傳圖譜構建以及重要農藝性狀的定位。此外，基于全基因組育種技術，已育成多個抗除草劑品種和不育系。

本次研究項目的主要負責人王亞玉表示：“接下來，我們將進一步孵化完善精準種植模式，把DNA層面的精準育種和微生物生態(tài)肥料、水肥一體化、全程田間管理、精準播種等現(xiàn)代種植技術相結合，建設標準化種植的示范區(qū)，促使作物生產最大化?！?/span>

深圳華大生命科學研究院農業(yè)基因組學國家重點實驗室王亞玉博士、中科院植物分子科學卓越創(chuàng)新中心博士后王孝林為該論文共同第一作者，深圳華大生命科學研究院農業(yè)基因組學國家重點實驗室副主任劉歡研究員，中科院植物分子科學卓越創(chuàng)新中心王二濤研究員為論文共同通訊作者。該研究得到了農業(yè)基因組學國家重點實驗室、深圳國家基因庫、河南省農業(yè)品種改良研究 (2022010401)、云南省重大科技專項 (860 202002AA100007) 以及國家自然基金(32088102) 等基金的資助。