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专家点评 Mol Plant | 中国水稻研究所寇艳君团队揭示温度调控水稻抵抗“瘟疫”稻瘟病发生的机制

花匠小妙招
2024-11-23 10:41

点评 | 陈学伟教授（四川农业大学，西南作物基因资源发掘与利用国家重点实验室）

责编 | 王一

2022年2月24日，中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室水稻-病原菌互作团队在Molecular Plant在线发表了题为Warm temperature compromises JA-regulated basal resistance to enhance Magnaporthe oryzae infection in rice的研究论文，揭示了温度影响稻瘟病发生的机制。

植物病害的发生、发展到流行，取决于病原、寄主植物和环境因素三要素的综合作用，其中温度是最重要的环境因素之一。全球环境温度升高是未来几十年气候变化的一个重要趋势，可能改变病害的流行区域、发生时间以及导致新致病菌株和病原菌的流行等。因此，研究温度调控植物免疫反应的机理，应对气候变化防控各种植物病害的发生尤为重要。美国国家科学院院士何胜洋教授、康奈尔大学华健教授、德州农工大学何平教授及密歇根州立大学Michael Thomashow教授等研究团队利用拟南芥-丁香假单胞菌系统（ Cheng et al., 2013; Huot et al., 2017; Kim et al., 2017; Li et al., 2020），揭示了温度变化调控拟南芥对细菌病害抗性的机制。然而，对于温度如何调控植物病原真菌的致病力，宿主植物尤其是作物如何响应温度变化抵御病原真菌侵染的机理，人们知之甚少。

稻瘟病是由丝状子囊真菌Magnaporthe oryzae侵染引起的，是水稻最严重的病害之一，位居植物十大真菌病害之首。长期以来，温度变化影响田间稻瘟病的发生被人们熟知。多年的田间调查发现，在24～26℃及以下稻瘟病容易流行，但当温度达到28～30℃及以上时稻瘟病的发生显著减少，其具体原因一直未知。

图1 22℃促进稻瘟病的发生。A,多个水稻品种在22℃时稻瘟病发生比28℃严重；B，叶鞘侵染实验表明，接种48小时后，22℃稻瘟病菌的侵染菌丝扩展快于28℃。绿色荧光所示为稻瘟病菌侵染菌丝。

该研究利用水稻-稻瘟病菌系统，解析了温度调控植物抗病原真菌的机制，结果发现：1.水稻-稻瘟病菌可作为研究温度调节植物抗真菌病害机制的理想系统；

2.相对28℃，22℃时茉莉酸合成及信号途径不能被有效激活是水稻抗稻瘟病能力下降的主要原因，这一结果表明单子叶植物水稻和双子叶植物拟南芥在温度调节宿主抗性的机制方面存在明显差异；

3.在温度调节的稻瘟病抗性中，茉莉酸信号途径可能在基础免疫信号的上游发挥作用，转录因子OsMYB22与OsCEBiP （编码重要的基础免疫受体）的启动子结合，OsMYC2-OsMYB22共同激活OsCEBiP表达。

这些结果提示，22℃时JA （茉莉酸）合成减少导致水稻基础抗性降低，稻瘟病菌侵染增强，而在28℃条件下，稻瘟病菌诱导茉莉酸的合成并激活茉莉酸信号途径，提高了水稻对稻瘟病的基础抗性水平，抑制稻瘟病的发生。进一步试验表明，施用茉莉酸甲酯是提高温暖环境下稻瘟病抗性的有效策略。

该研究深入揭示了温度调节植物抗病原真菌的机制，为科学应对未来气候变化有效地防控稻瘟病的发生提供了理论依据。

图2暖温降低JA调节的基础抗性增强水稻稻瘟病菌感染的模式图。

中国水稻研究所助理研究员邱结华为该论文的第一作者，寇艳君研究员为通讯作者，该研究得到了中国水稻研究所钱前院士、浙江大学梁岩教授及淡马锡生命科学研究所Naweed Naqvi教授的指导和帮助。该研究得到了国家自然科学基金和中国农业科学院青年英才计划等项目资助。

论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1674205222000624

水稻-病原菌互作：

https://cnrri.caas.cn/bsgk/xksz/sdswxgjzdsys/276716.htm

专家点评

陈学伟教授（四川农业大学，西南作物基因资源发掘与利用国家重点实验室）

以全球变暖为主要特征的气候变化是人类面临的最严峻挑战之一，对生态环境和社会经济发展带来诸多风险，其中包括维系人类生存发展的粮食生产。水稻等粮食作物的安全生产是国家安全的重要基础，而农业病虫害的爆发与温度、湿度等气候条件关系密切，给粮食安全带来了巨大威胁。在全球变暖的趋势下，通过科技创新手段来破解病虫害威胁、增强粮食保障能力，成为了各国农业科技竞争的重点。

有着“水稻癌症”之称的稻瘟病是制约粮食安全的重要因素。揭示水稻抗病遗传基础理论，培育水稻抗病品种，是解决病害威胁、促进粮食稳产增产最为经济有效的途径，也一直是植物学和植物病理学研究领域的前沿和热点。在田间，水稻稻瘟病易在温暖潮湿条件下流行，而在相对较高的温度下却不易发生。长期以来，人们对这一病害如何受温度等气候因子的影响及其调控机理很不清楚，限制着我们对水稻等作物抗病机理的全面了解和抗病改良应用。

近日，中国水稻研究所水稻生物学国家重点实验室寇艳君研究员带领团队在Molecular Plant杂志发表了题为“Warm temperature compromises JA-regulated basal resistance to enhance Magnaporthe oryzae infection in rice”的研究论文，揭示了水稻如何响应温度变化而调控稻瘟病抗性的分子机理，是气候环境因子影响植物抗病性研究领域内的又一重要成果。

该研究成果表明，暖温环境削弱植物激素茉莉酸调节的基础抗性，有利于稻瘟病害发生，而施用茉莉酸甲酯能明显提高暖温环境下水稻对稻瘟病抗性，因此茉莉酸甲酯可作为稻瘟病防控的有效药物。同时，该研究揭示的温度调节植物对真菌病害的抗性机制，加深了我们对环境–植物–病原真菌三者相互作用机制的理解，为科学应对全球气候变暖，开发新的稻瘟病防治策略以及保障粮食安全，提供了重要理论依据。

参考论文

Cheng, C., Gao, X., Feng, B., Sheen, J., Shan, L., and He, P. (2013). Plant immune response to pathogens differs with changing temperatures. Nature Communications 4:2530.

Huot, B., Castroverde, C.D.M., Velásquez, A.C., Hubbard, E., Pulman, J.A., Yao, J., Childs, K.L., Tsuda, K., Montgomery, B.L., and He, S.Y. (2017). Dual impact of elevated temperature on plant defence and bacterial virulence in Arabidopsis. Nature Communications 8:1808.

Kim, Y.S., An, C., Park, S., Gilmour, S.J., Wang, L., Renna, L., Brandizzi, F., Grumet, R., and Thomashow, M.F. (2017). CAMTA-mediated regulation of salicylic acid immunity pathway genes in arabidopsis exposed to low temperature and pathogen infection. The Plant Cell 29:2465-2477.

Li, Z., Liu, H., Ding, Z., Yan, J., Yu, H., Pan, R., Hu, J., Guan, Y., and Hua, J. (2020). Low temperature enhances plant immunity via salicylic acid pathway genes that are repressed by ethylene. Plant Physiology 182:626-639.