根际微生物群落塑造作物理想株型2026年1月22日湘湖实验室农业浙江省实验室贾保磊和上海交通大学陈焕等在Microbial Biotechnology在线发表了题为“Root Microbiota: Orchestrating Architecture- Smart Crops”的观点文章。本研究系统评述了根际微生物在调控作物株型形成中的关键作用总结了其通过微生物代谢物与植物激素信号协同作用影响地上和地下结构建成的研究进展强调以微生物为调控层级的“全生物体株型”这一概念将微生物纳入作物株型改良与育种框架。观点论文● 期刊Microbial Biotechnology, [IF 5.2]● DOIhttps://doi.org/10.1111/1751-7915.70307●原文链接: https://enviromicro-journals.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/1751-7915.70307● 第一作者陈芹芹● 通讯作者贾保磊 (jiabaoleixhlab.ac.cn)陈焕 (huan.chensjtu.edu.cn)● 合作作者姚燕来● 主要单位湘湖实验室农业浙江省实验室、上海交通大学、南京农业大学亮点强调“全生物体株型”新概念突破株型由宿主基因决定的传统认知构建根际微生物参与塑造作物动态株型的新理论框架整合分蘖、根系结构与叶片构型调控证据强调株型塑造的系统性微生物调控模式从微生物化学语言解析、SynCom构建到微生物响应育种强调“理想株型作物”培育路径明确微生物整合型作物改良新方向。摘要作物的生长、发育及整体抗逆能力依赖于其微生物共生伙伴。最新研究认识到根际微生物组直接参与调控水稻分蘖数这一关键株型性状而分蘖数对产量具有重要影响。农业微生物应用的新前沿进一步凸显了根际微生物在塑造作物株型、提升生产力方面的深远作用。我们强调作物生产改良的理念正从以宿主遗传为中心的“株型”视角转向包含微生物在内的“全生物体株型”框架。在这一框架下微生物的协同调控为培育具备表型可塑性、能够应对环境不确定性的“理想株型作物”提供了动态精细调节机制。引言根际微生物群落影响植物的生长与发育并在维持植物健康和增强环境胁迫耐受性方面发挥重要作用。根系相关微生物可通过协同调控宿主免疫反应和根际群落结构诱导植物对病原物的抗性。值得注意的是根际微生物组常被称为植物的“第二基因组”。现有研究大多聚焦于根际微生物在作物生长和抗逆中的作用机制例如促进养分获取、合成植物激素以及增强根系发育等。然而我们对于根际微生物如何影响作物株型及关键产量构成性状的认识仍然有限。近期研究发现根际微生物可直接调控水稻分蘖数而分蘖数是决定作物株型并显著影响产量的关键性状。这一新证据挑战了将作物株型视为由遗传因素静态决定、以优化产量和形态性状为目标的传统观点。我们认为遗传定义的作物株型只是一个静态框架其完整的适应潜力需要通过动态的微生物调控才能得以实现。基于此我们进一步强调“全生物体株型holobiont architecture”的概念即通过对根际微生物组的精准调控实现表型可塑性与精细调节从而培育“理想株型作物architecture-smart crops”。本观点围绕这一假设展开系统梳理微生物参与株型调控的相关证据并强调整合微生物与植物株型调控机制的研究路线图以推动可持续农业的发展根际微生物在作物株型中的作用作物株型包括株高、叶角以及分枝模式禾本科作物中的分蘖等性状是决定光合效率、资源分配和籽粒产量的关键因素。在水稻中分蘖数直接决定有效穗数和最终产量。尽管植物激素尤其是独脚金内酯长期以来被认为是调控地上分枝的重要因子但Zhang等2025揭示了一个新的动态调控层级——根际微生物对株型的外源性调控作用图1A。具体而言Zhang等对田间种植的水稻群体进行了系统分析发现不同水稻品种间分蘖数的差异与根际微生物群落组成的差异显著相关。进一步地研究者通过精细分离与培养水稻根际微生物中的单菌株并开展针对性的功能验证实验在两项独立田间试验中鉴定出12个关键调控属其中7个具有促进作用5个具有抑制作用。功能验证结果表明Roseateles R780和Piscinibacter R1801能显著促进分蘖形成而Exiguobacterium R2567、Burkholderia R2488和Pleomorphomonas R1405则抑制分蘖发育。值得注意的是Roseateles R780的促分蘖作用依赖于独脚金内酯的生物合成及信号转导过程而Exiguobacterium R2567对分蘖的抑制效应则主要通过作用于独脚金内酯信号通路实现。进一步的机制研究表明Exiguobacterium R2567通过产生一种独特的二肽小分子——Cyclo(Leu-Pro)实现对作物株型的调控。该小分子被鉴定为激活独脚金内酯SL信号通路的关键效应因子而该信号通路能够抑制分蘖形成。Cyclo(Leu-Pro)通过直接结合水稻独脚金内酯受体OsD14激活SL信号通路。这一精准的分子结合事件触发下游信号级联反应导致抑制蛋白OsD53的降解。该过程最终抑制分蘖发育从而在生理效应上模拟内源性独脚金内酯的作用。总体而言这些研究揭示了细菌代谢物如何精准“对接”并协同调控宿主复杂的激素调控网络进而影响关键发育程序的分子机制。这种分子层面的精细互作凸显了植物—微生物互作中此前被低估的高度精密调控水平。值得注意的是根际微生物对植物株型的精细调控并不局限于地上部分也延伸至地下结构。近期Fu等2025发现Bacillus velezensis SQR9分泌的一种蛋白——bacillolysin能够促进拟南芥侧根生长。在机制层面bacillolysin通过调控IAA34–PUCHI模块发挥作用。该蛋白通过与拟南芥受体CEPR2互作激活下游生长素响应基因的表达。生长素作为另一种关键植物激素是调控根系结构的重要因子。然而微生物对侧根发育的调控并不局限于生长素依赖型通路。定殖微生物还可通过一种进化上保守、且主要依赖乙烯信号通路的生长素非依赖机制重新编程侧根分枝模式。这一发现揭示了微生物在地下株型可塑性调控中的另一层调控维度从而增强植物对环境异质性的适应能力。除上述根系结构调控外微生物对植物株型的调节还延伸至其他发育模块。研究表明在遮阴条件下P. fluorescens和Root918能够精细调控叶片与叶柄长度比例从而促进碳资源更多分配至光合组织而非用于结构性伸长。在玉米中侧根富集的MassiliaOxalobacteraceae科作为关键类群连接了根系分化与地上性状如开花时间和生物量积累之间的关系提供了直接证据表明具有空间结构特征的根际微生物群落参与塑造作物株型的可塑性。总体而言这些研究结果表明植物微生物组具有广泛而精密调控宿主形态建成的能力。这些微生物调控模块在通过定向干预工程化改造特定植物性状方面展现出巨大的应用潜力。图1 | 植物微生物组在培育理想株型作物中的作用A根际微生物调控水稻分蘖数。对田间种植水稻群体中分蘖数与根际微生物组之间关联性的分析表明Roseateles R780和Piscinibacter R1801可增加分蘖数而Exiguobacterium R2567则降低分蘖数。Exiguobacterium R2567产生的Cyclo(Leu-Pro)通过与独脚金内酯受体OsD14复合物结合促进独脚金内酯信号通路抑制因子OsD53的降解从而调控水稻分蘖。B植物微生物组在构建“理想株型作物”中的潜力。所谓理想株型作物其特征包括优化的地上部结构、较高的生殖分配比例以及健壮的根系系统。植物微生物组在促进这些理想性状形成过程中发挥关键作用从而推动理想株型作物的培育与发展。作物的理想株型优化植物株型被认为是“下一次绿色革命”的核心要素之一。此外关于玉米“智能冠层结构smart-canopy architecture”的研究进一步强调在高密度种植条件下优化叶角等性状对于提升产量具有关键意义。这一认识为作物改良提供了明确的目标性状这些性状既可通过传统遗传育种加以优化也可借助创新性的微生物干预手段进行调控从而为作物改良策略增添了新的层次与潜力。尽管水稻、小麦、玉米和大豆等主粮作物在物种特性上存在差异但其理想株型在提升产量和资源利用效率方面具有共性特征图1B。对于地上部而言优化的理想株型应包括适度分蘖、株高适中、茎秆强健以防倒伏以及合理的叶片排列以最大化光能捕获效率。与此同时理想株型还应强调较高的生殖分配比例将更多资源用于增加籽粒数量和粒重同时减少无效生长从而提高收获指数。最后理想株型还应具备健壮而深扎的根系系统以确保高效吸收水分和养分并增强整体抗逆能力图1B。这些特征共同构成了理想株型作物的核心要素即在实现最优产量的同时兼顾资源利用效率与环境适应能力。从“静态株型”到“动态全生物体株型”传统植物株型概念主要聚焦于优化由遗传因素决定的形态性状如株高、叶角和分枝模式以在特定环境条件下实现产量最大化。这一理论框架在高产小麦品种和半矮秆水稻的育种中发挥了重要作用。在这一视角下植物株型被视为由宿主基因组静态决定的结果。然而这种观点忽略了微生物组所提供的动态调控功能。在此我们强调全生物体株型的概念即植物最终呈现的株型是其遗传因子与微生物共同作用的产物。植物微生物组可被视为一种外源调控系统通过调节关键发育过程和胁迫响应通路主动塑造植物株型以响应环境信号。这一范式转变意味着我们的关注点将从单一、静态的遗传决定因素转向一个动态且可响应的调控系统在该系统中微生物伙伴作为植物株型的外源调控者发挥作用。通过系统阐明这种协同关系的分子机制并结合合成微生物群落构建及全生物体育种等策略研究者有望培育出理想株型作物。这类作物能够主动调节自身结构以优化资源利用、增强抗逆能力并在环境不确定条件下维持稳定高产。培育理想株型作物的微生物学策略为实现微生物组与育种体系的深度融合理想株型作物的优化可从三个相互关联的研究方向入手1解析植物与微生物之间的“化学语言”2设计能够预测性调控植物株型的功能型合成微生物群落3将微生物响应性纳入关键农艺性状加以选择。通过协同推进上述策略有望培育出能够基于微生物调控因子动态调整自身株型的作物从而在多变的农业环境中提升产量和适应能力。我们认为植物与微生物之间存在一种保守的化学语言即一系列由不同微生物产生、用于调控植物株型的代谢物和蛋白质。二肽分子Cyclo(Leu-Pro)和蛋白bacillolysin可被视为这一语言中最早被破译的词汇。未来研究可借助高通量筛选、代谢组学和蛋白质组学等技术系统挖掘更多来源于微生物的活性分子包括挥发性有机化合物、氨基酸衍生物、激素衍生物、肽类、分泌蛋白以及其他多样的小分子物质。这些分子可能参与调控叶角、株高、根深及分枝模式等关键株型性状。阐明其生物合成途径并鉴定其在植物中的特异性受体将为未来生物技术应用奠定重要基础。在功能层面合成微生物群落通过从单菌接种转向微生物团队协作有望实现对作物株型的预测性调控。所设计的合成微生物群落需要具备功能互补性即不同成员发挥各自独特且协同的作用共同调控目标性状。例如包含一定比例的促分蘖菌如Roseateles与抑分蘖菌如Exiguobacterium的菌群组合可根据种植密度和养分供给情况对水稻穗数进行精细调节。已有研究表明联合接种Azospirillum和Bacillus的合成微生物群落可使Urochloa brizantha分蘖数提高47%。然而要在实际农业生产中成功应用合成微生物群落仍需克服若干关键挑战包括确保其在不同环境条件下的稳定性、管理优先定殖效应以及在复杂田间环境中利用微生物间信号协调群落行为。与此同时微生物响应性应被视为理想株型作物的关键性状也是全生物体育种的核心原则。全生物体育种强调选择能够分泌特定根系分泌物、从而招募有益微生物的植物基因型以最大化表型可塑性。这一策略涉及筛选控制特定微生物招募能力的植物遗传位点使植物能够有效利用其“第二基因组”以实现适应性生长。越来越多的证据表明不同植物基因型在这种能力上存在显著差异。例如水稻中的特定OsCERK1等位基因可增强菌根真菌的定殖从而提高养分获取能力并促进分蘖发育。总结随着植物—微生物互作机制认识的不断深入精准调控根际微生物组为农业可持续发展提供了新路径。整合植物基因型、根系分泌物与根际微生物群落有望构建更加高效且具韧性的农业体系。从“静态株型”到“全生物体株型”的转变不仅深化了我们对作物发育的理解也为培育“理想株型作物”奠定了理论基础。未来植物微生物组将成为推动高产、高效与可持续农业的重要力量。引文Qinqin Chen, Yanlai Yao, Huan Chen, Baolei Jia. 2026. “Root Microbiota: Orchestrating Architecture-Smart Crops.” Microbial Biotechnology 19:e70307.https://doi.org/10.1111/1751-7915.70307作者简介陈芹芹第一作者湘湖实验室农业浙江省实验室博士后主要从事功能微生物调控作物抗逆与促生机制及植物逆境响应分子调控研究。相关学术成果以第一作者发表于Development、Journal of Integrative Plant Biology、Physiologia Plantarum等期刊。贾保磊通讯作者湘湖实验室农业浙江省实验室研究员。从事农业生物数据挖掘工作研究范畴广泛涵盖生物大数据、微生物组学及生物信息学等多个方面。陈焕通讯作者上海交通大学植物科学系长聘教轨副教授博士生导师长期从事水杨酸介导的抗病免疫机制研究以及深入探究病原菌-植物-环境间的互作关系。宏基因组推荐4月10-12日微生物组-扩增子16S分析5月8-10日微生物组-宏基因组分析本公众号现全面开放投稿希望文章作者讲出自己的科研故事分享论文的精华与亮点。投稿请联系小编微信号yongxinliu 或 meta-genomicsiMeta高引 fastp PhyloSuite ImageGP2 iNAP2 ggClusterNet2iMeta工具 SangerBox2 美吉2026 OmicStudio Wekemo OmicShareiMeta综述 高脂饮食菌群 发酵中药 口腔菌群 微塑料 癌症 宿主代谢10000扩增子EasyAmplicon 比较基因组JCVI 序列分析SeqKit2 维恩图EVenniMetaOmics高引 猪微生物组 16S扩增子综述 易扩增子(EasyAmplicon)系列教程微生物组入门 Biostar 微生物组 宏基因组专业技能学术图表 高分文章 生信宝典 不可或缺的人