前言

全球氣溫變暖對植物病害的發(fā)生有很大影響，可能導(dǎo)致其分布和流行發(fā)生變化。但對于溫度如何調(diào)控植物病原真菌的致病力，宿主植物尤其是作物如何響應(yīng)溫度變化抵御病原真菌侵染的機(jī)理知之甚少。

稻瘟病是由絲狀子囊真菌 ?侵染引起的，是水稻最嚴(yán)重的病害之一，植物十大真菌病害之首。多年田間調(diào)查表明，24-26°C 及以下稻瘟病容易流行，但當(dāng)溫度達(dá)到28-30°C 及以上時稻瘟病的發(fā)生顯著減少，但其分子機(jī)制尚不清楚。

2022 年 2 月，中國水稻研究所寇艷君研究員作為通訊作者，在 Molecular Plant 雜志（IF: 13.164）在線發(fā)表了題為“Warm temperature compromises JA-regulated basal resistance to enhance Magnaporthe oryzae infection in rice”的研究論文，揭示了溫度影響稻瘟病發(fā)生的分子機(jī)制。歐易生物在本研究中承擔(dān)了轉(zhuǎn)錄組測序及分析工作。

研究結(jié)果

環(huán)境溫度顯著影響稻瘟病的發(fā)生

首先，對水稻 4 周幼苗在 10-35°C 條件下進(jìn)行了一系列的稻瘟病菌侵染實驗。結(jié)果顯示，當(dāng)溫度低于 14°C 或高于 33°C 時，不會誘發(fā)稻瘟?。▓D A）。與田間自然條件一致，在 22°C 時，接種植株的稻瘟病病斑面積和真菌生長比 28°C 條件下更顯著（圖 B-D）。在其他水稻品系中也觀察到類似的現(xiàn)象（圖 E-F）。表明溫度顯著影響稻瘟病的發(fā)生。

為了進(jìn)一步區(qū)分溫度對稻瘟病發(fā)生的影響，是影響水稻植株還是稻瘟病菌，首先對稻瘟病菌在不同溫度下的生長進(jìn)行了檢測。結(jié)果顯示，溫度過低或過高，稻瘟病菌附著胞形成受阻，表明 14°C 以下或 33°C 以上稻瘟病的抑制主要是由稻瘟病菌決定的。

而 28°C 下稻瘟病菌的生長、侵染能力明顯強(qiáng)于 22°C 下，但 28°C 環(huán)境下的稻瘟病發(fā)生卻顯著弱于 22°C，表明這一溫度范圍內(nèi)稻瘟病的發(fā)生主要是由于溫度影響了植株抗性。

圖1 | 環(huán)境溫度對水稻稻瘟病發(fā)生的影響

溫暖環(huán)境下水稻基礎(chǔ)抗性下降

植物有 2 層防御機(jī)制：R 基因介導(dǎo)的抗性和基礎(chǔ)抗性。結(jié)果顯示，22°C 和 28°C 下水稻 R 基因介導(dǎo)稻瘟病抗性并無明顯差異。MAPKs 是基礎(chǔ)抗性的關(guān)鍵成員，MAPKs 的激活在 22°C 下顯著低于 28°C（圖 A）；22°C 下病原真菌誘導(dǎo)的 H2O2 和 ROS 的產(chǎn)生顯著低于 28°C（圖 B-C）；防御相關(guān)基因在 22°C 下也并未明顯激活（圖 D-G）。以上結(jié)果表明，在 22°C 條件下，稻瘟病菌誘導(dǎo)的基礎(chǔ)抗性降低。

圖2 | 溫度對稻瘟病菌生長、侵染等的影響

稻瘟病菌導(dǎo)致 22°C 與 28°C 水稻 JA 生物合成基因表達(dá)差異

對上述 22°C、28°C 條件下，稻瘟病菌侵染前后的水稻植株進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組測序，結(jié)果顯示大量基因存在表達(dá)差異。富集分析顯示，JA 生物合成相關(guān)基因在 28°C 稻瘟病菌侵染中特異性被誘導(dǎo)，并通過 RT-PCR 得以驗證（圖 A）。同時在 28°C 稻瘟病菌侵染植株中 JA 含量顯著高于 22°C（圖 B）。

OsAOC1 是負(fù)責(zé)催化 JA 前體合成的一個關(guān)鍵酶。結(jié)果顯示，與野生型相比，osaoc1 突變體更易被稻瘟病菌侵染，但 22°C 與 28°C 條件侵染程度沒有明顯差別（圖 C-D）、基礎(chǔ)抗性基因表達(dá)也沒有明顯差別（圖 E-F）。而以上結(jié)果，都可以被外源施加 MeJA 處理所逆轉(zhuǎn)（圖 C-F）。

圖3 | 22°C 時 JA 合成減少導(dǎo)致水稻基礎(chǔ)抗性降低

OsCOI1 可以響應(yīng) JA 將 JAZ 降解，以消除其對 OsMYC2 的抑制并激活下游 JA 信號通路。OsCOIi RNAi 和 osmyc2 突變體對稻瘟病菌誘導(dǎo)的抗性在 22°C 與 28°C 下沒有明顯差別；而與野生型對比，過表達(dá) OsMYC2 植株對稻瘟病菌呈現(xiàn)良好抗性，且 2 個溫度條件下沒有明顯差別。

以上結(jié)果表明，JA的合成途徑參與了溫度介導(dǎo)的基礎(chǔ)抗性。

JA 信號激活下降導(dǎo)致溫暖條件下基礎(chǔ)抗性基因表達(dá)下調(diào)

RT-PCR 顯示，在 OsCOIi RNAi 和 osmyc2 突變體植株中，水稻基礎(chǔ)抗性基因表達(dá)水平都發(fā)生顯著下調(diào)，并可以被外源施加 MeJA 處理所恢復(fù)，特別是基礎(chǔ)抗性基因 OsCEBiP（圖 A-B）。與野生型不同，oscebip 突變體在 22°C 與 28°C 添加下對稻瘟病菌抗性沒有明顯差別（圖 C-D）。

RiceNet 數(shù)據(jù)庫預(yù)測，并通過酵母單雜交、EMSA、ChIP-PCR 實驗證實（圖 E-G），轉(zhuǎn)錄因子 OsMYB22 可以直接結(jié)合在 OsCEBiP 啟動子。

酵母雙雜交、BiFC、Co-IP 實驗證實，OsMYB22 可以直接與 OsMYC2 結(jié)合（圖 H-J）。

熒光素酶報告實驗顯示，OsMYB22 可以激活 OsCEBiP 的表達(dá)，并且 OsMYC2 可以進(jìn)一步促進(jìn)這一激活過程（圖 K-L）。

osmyb22 突變體中，稻瘟病菌侵染并未誘導(dǎo) OsCEBiP 表達(dá)（圖 M）。

以上結(jié)果表明，28°C 條件下，OsMYB22 可以直接結(jié)合到 OsCEBiP 的啟動子并激活其表達(dá)；而 22°C 條件下 JA 信號激活下降導(dǎo)致 OsCEBiP 表達(dá)下調(diào)。

圖4 | 基礎(chǔ)抗性基因 OsCEBiP 受 JA 信號通路調(diào)控，在水稻抗稻瘟病的溫度調(diào)節(jié)抗性中發(fā)揮重要作用

研究結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，溫暖環(huán)境（22°C）促進(jìn)稻瘟病的發(fā)生，其分子機(jī)制如下：

在溫暖環(huán)境（22°C）下，稻瘟病菌不能有效地誘導(dǎo) JA 生物合成和信號傳導(dǎo)，導(dǎo)致許多重要的基礎(chǔ)抗性基因表達(dá)降低。轉(zhuǎn)錄因子 OsMYC2 和 OsMYB22 可以協(xié)同調(diào)節(jié) OsCEBiP 的表達(dá)，從而調(diào)節(jié)水稻的基礎(chǔ)抗性。JA 信號的激活減少導(dǎo)致基礎(chǔ)抗性基因（如 OsCEBiP）在溫暖條件（22°C）下的表達(dá)下調(diào)，從而導(dǎo)致水稻對稻瘟病的易感性增強(qiáng)。此外，施用 MeJA 可能是提高溫暖環(huán)境下稻瘟病抗性的有效策略。

歡迎百度搜索歐易生物——訪問歐易生物官網(wǎng)——了解轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)

猜你想看

1、項目文章 | CTM: 腫瘤細(xì)胞通過 RB1CC1 介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄重編程對鐵死亡敏感

2、項目文章 | 歐易空間轉(zhuǎn)錄組測序助力解析青春期大鼠弓狀核的空間基因表達(dá)特征

3、項目文章 | Plant J:孫旭武課題組利用單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組解析擬南芥早期細(xì)胞轉(zhuǎn)錄圖譜

4、歐易生物署名文章│水稻轉(zhuǎn)錄因子文庫——中科院遺傳所陳凡課題組鉅獻(xiàn)End本文系歐易生物原創(chuàng)