Nature子刊最新研究成果揭示谷子基因型与微生物互作效应,为生物育种提供新途径

2022-10-09 189CNGBdb

微生物被称为“地球之王”,几乎与所有动植物生长生活息息相关。微生物与物种之间的差异性已被大量揭示,但相同物种不同基因型品种对微生物的互作是否选择性,调控作物产量的微生物都有待深入研究。

北京时间2022年10月7日,由华大主导,联合中科院植物分子科学卓越创新中心在国际学术期刊《自然·通讯》(Nature Communications)合作发表了题为“GWAS, MWAS and mGWAS provide insights into precision agriculture based on genotype-dependent microbial effects in foxtail millet”的研究论文。该研究通过关联分析,揭示了谷子基因型、根系微生物组与农艺性状之间的互作网络,首次提出基因型依赖的微生物效应。

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深圳国家基因库数字化平台为该文章的样本提供了转录组测序数据产出,此项研究中827份不同品种谷子的相关测序数据已上传至深圳国家基因库生命大数据平台(CNGBdb),可供研究者下载使用,项目编号为:CNP0001521

谷子,也就是粟米、小米。除了大家熟知的营养价值高、深受北方人喜爱外,谷子也是起源于我国的最古老的作物之一,被誉为中华民族的哺育作物。

而在科学家眼里,谷子的性状复杂,决定其产量的关键性基因位点至今尚未被找到。因此,深入理解影响谷子的遗传和环境因素,对提升其品质和产量而言尤为重要。

主要研究结果

本研究基于827份不同品种谷子基因组的遗传变异数据、根表微生物数据、12种生长和产量表型数据,整合全基因组关联分析(GWAS)、宏基因组关联分析(MWAS)和微生物组全基因组关联分析(mGWAS)方法揭示了谷子基因型、农艺表型和根表微生物组成之间的相互关联(图1)。

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本研究通过GWAS和MWAS分析量化了谷子基因型与根表微生物组成对谷子生长和产量表型变化的影响,基因型与根表微生物的组合能够更好的解释谷子农艺表型的变化,揭示谷子基因型与微生物组共同影响谷子的生长和产量性状。鉴定出6种关键农艺性状显著相关的微生物,通过田间分离微生物菌株,证实微生物标志物介导促生和抑制生长效应,且不同微生物标志物促生长的机理具有菌株特异性(图2)。

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植物与微生物群落的相互作用,并不是随机的,而是受到植物基因型的影响,但其互作机制不清。部分微生物对基因型的变化较敏感,组成变化与植物基因型显著相关,称为可遗传微生物。

本研究将谷子根表的可遗传微生物,与高粱和玉米的根际可遗传微生物类群进行比较,发现谷子的高可遗传微生物与高粱和玉米高度重叠,揭示植物与其微生物群之间存在相似的共进化关系。将谷子根表的微生物群当作表型,通过mGWAS关联分析,发现根表微生物组成的变化主要由植物免疫、代谢产物合成、激素信号传导以及养分吸收相关的基因来驱动(图3)。

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研究揭示,宿主免疫相关的基因FLS2和转录因子bHLH35与不同的微生物类群的组成变化显著相关,可能广泛地参与调节根表微生物群落结构的形成。尽管如此,植物依然会通过不同的基因与特定的微生物类群进行互作。

本研究建立了谷子基因型-标记微生物群-谷子农艺表型的互作网络,验证实验证实微生物介导的促生和抑制生长的效应受到宿主基因型的影响。即相同促生菌株,接种到不同基因型(参考基因型谷子品种和等位基因型谷子品种)的谷子根际,其促进生长的效果有着明显的差异。表明谷子基因型决定了微生物对作物表型的影响(图4)。

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本研究探究了植物与微生物组之间的互作机理,有助于深入理解根系微生物群落构建的生态过程,通过调节植物基因型相关的微生物组成,可定向改善植物对环境的适应性和生产力。在未来的农业系统中可通过精准的微生物组管理设计高产的栽培品种,向着改善植物-根系微生态互作的方向育种将更加高效的促进农作物产量的提升。

华大的小米情结由来已久,从《老汪的小米餐桌》一书可以窥见一斑,而将其作为模式植物进行研究,则是从2009年开始的。通过大规模的谷子基因资源挖掘,华大已陆续完成谷子基因组测序、分子标记开发、遗传图谱构建以及重要农艺性状的定位。此外,基于全基因组育种技术,已育成多个抗除草剂品种和不育系。

本次研究项目的主要负责人王亚玉表示:“接下来,我们将进一步孵化完善精准种植模式,把DNA层面的精准育种和微生物生态肥料、水肥一体化、全程田间管理、精准播种等现代种植技术相结合,建设标准化种植的示范区,促使作物生产最大化。”

深圳华大生命科学研究院农业基因组学国家重点实验室王亚玉博士、中科院植物分子科学卓越创新中心博士后王孝林为该论文共同第一作者,深圳华大生命科学研究院农业基因组学国家重点实验室副主任刘欢研究员、中科院植物分子科学卓越创新中心王二涛研究员为论文共同通讯作者。

该研究得到了农业基因组学国家重点实验室、深圳国家基因库、河南省农业品种改良研究(2022010401)、云南省重大科技专项(860 202002AA100007)以及国家自然基金(32088102)等基金的资助。

参考文献:Lin Y, Peng L, Dong L, et al. Geospatial immune heterogeneity reflects the diverse tumor-immune interactions in intrahepatic cholangiocarcinoma[J]. Cancer Discovery, 2022.信息来源:“华大集团BGI”公众号

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