探究谷子互作机理 华大团队揭示产量谜题
谷子,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。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。
10月7日,由深圳华大生命科学研究院主导,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)发表研究论文,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。该研究结果有助于定向改善植物对环境的适应性及其生产力,为生物育种及增产提供新途径。
构建数学模型揭示基因型与微生物组影响产量
据了解,研究团队在同一环境中种植了827种不同品种的谷子,基于每种谷子的基因型数据、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、宏基因组关联分析和微生物组全基因组关联分析方法进行系列研究。
在研究谷子基因型对谷子生长和产量的影响、微生物对谷子生长和产量的影响,以及两者共同对谷子生长和产量的影响中,华大研究团队通过构建数学模型,量化了谷子基因型与根表微生物组成对谷子生长和产量变化的影响。例如,谷子基因型可以解释产量性状(如单株粒重)34.10%的变化,微生物可以解释43.31%的变化,基因型和微生物一起平均可以解释55.87%的变化。
研究发现,基因型与根表微生物的组合能够更好地解释谷子农艺表型的变化,揭示了谷子基因型与微生物组共同影响谷子的生长和产量性状。
每种微生物调控机理不同谷子有自己的“选择”
在明确基因型和微生物能够影响谷子的生长和产量之后,华大研究团队鉴定出200多种微生物,这些微生物与谷子的关键农艺性状显著相关。为验证每种微生物的具体功能,华大研究团队通过田间分离微生物菌株,证实了微生物标志物介导的促生和抑制生长的效应,且不同微生物标志物促生长的机理具有菌株特异性。
华大相关负责人对此解释道:“在促生长的微生物中,有的负责促进谷子的株高,有的负责促进根的生长,有的是通过促进植物的光合作用,有的则是促进植物的营养吸收,还有的则是促进植物的免疫能力。总而言之,每一种促进生长的微生物,其调控机理是不同的。”
正如每个人的饮食偏好不尽相同,每种谷子对于微生物的选择也各有喜爱。研究团队结合谷子基因型数据进行分析,找到了调控谷子根系微生物类群的一些候选基因,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。尽管谷子有两个基因(宿主免疫相关的基因FLS2和转录因子bHLH35)可能参与了大部分微生物的调控,但不同基因型的谷子依然会选择特定的微生物类群进行互作。
此外,华大研究团队还建立了“谷子基因型-标记微生物群-谷子农艺表型”的互作网络,证实了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,接种到不同基因型的谷子,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。
如今,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。
据该研究项目主要负责人王亚玉表示,接下来,华大研究团队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。
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