转录组测序 | 中国水稻研究所发现温度影响稻瘟病发生的机制-- 迪族网

转录组测序 | 中国水稻研究所发现温度影响稻瘟病发生的机制

来源：欧易生物　2022-04-19 08:48:13

前言

全球气温变暖对植物病害的发生有很大影响，可能导致其分布和流行发生变化。但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知之甚少。

稻瘟病是由丝状子囊真菌侵染引起的，是水稻最严重的病害之一，植物十大真菌病害之首。多年田间调查表明，24-26°C 及以下稻瘟病容易流行，但当温度达到28-30°C 及以上时稻瘟病的发生显著减少，但其分子机制尚不清楚。

2022 年 2 月，中国水稻研究所寇艳君研究员作为通讯作者，在 Molecular Plant杂志（IF: 13.164）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分子机制。欧易生物在本研究中承担了转录组测序及分析工作。

研究结果

环境温度显著影响稻瘟病的发生

首先，对水稻 4 周幼苗在 10-35°C 条件下进行了一系列的稻瘟病菌侵染实验。结果显示，当温度低于 14°C 或高于 33°C 时，不会诱发稻瘟病（图 A）。与田间自然条件一致，在 22°C 时，接种植株的稻瘟病病斑面积和真菌生长比 28°C 条件下更显著（图 B-D）。在其他水稻品系中也观察到类似的现象（图 E-F）。表明温度显著影响稻瘟病的发生。

为了进一步区分温度对稻瘟病发生的影响，是影响水稻植株还是稻瘟病菌，首先对稻瘟病菌在不同温度下的生长进行了检测。结果显示，温度过低或过高，稻瘟病菌附着胞形成受阻，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决定的。

而 28°C 下稻瘟病菌的生长、侵染能力明显强于 22°C 下，但 28°C 环境下的稻瘟病发生却显著弱于 22°C，表明这一温度范围内稻瘟病的发生主要是由于温度影响了植株抗性。

图1 | 环境温度对水稻稻瘟病发生的影响

温暖环境下水稻基础抗性下降

植物有 2 层防御机制：R 基因介导的抗性和基础抗性。结果显示，22°C 和 28°C 下水稻 R 基因介导稻瘟病抗性并无明显差异。MAPKs 是基础抗性的关键成员，MAPKs 的激活在 22°C 下显著低于 28°C（图 A）；22°C 下病原真菌诱导的 H2O2 和 ROS 的产生显著低于 28°C（图 B-C）；防御相关基因在 22°C 下也并未明显激活（图 D-G）。以上结果表明，在 22°C 条件下，稻瘟病菌诱导的基础抗性降低。

图2 | 温度对稻瘟病菌生长、侵染等的影响

稻瘟病菌导致 22°C 与 28°C 水稻 JA 生物合成基因表达差异

对上述 22°C、28°C 条件下，稻瘟病菌侵染前后的水稻植株进行转录组测序，结果显示大量基因存在表达差异。富集分析显示，JA 生物合成相关基因在 28°C 稻瘟病菌侵染中特异性被诱导，并通过 RT-PCR 得以验证（图 A）。同时在 28°C 稻瘟病菌侵染植株中 JA 含量显著高于 22°C（图 B）。

OsAOC1 是负责催化 JA 前体合成的一个关键酶。结果显示，与野生型相比，osaoc1 突变体更易被稻瘟病菌侵染，但 22°C 与 28°C 条件侵染程度没有明显差别（图 C-D）、基础抗性基因表达也没有明显差别（图 E-F）。而以上结果，都可以被外源施加 MeJA 处理所逆转（图 C-F）。

图3 | 22°C 时 JA 合成减少导致水稻基础抗性降低

OsCOI1 可以响应 JA 将 JAZ 降解，以消除其对 OsMYC2 的抑制并激活下游 JA 信号通路。OsCOIi RNAi 和 osmyc2 突变体对稻瘟病菌诱导的抗性在 22°C 与 28°C 下没有明显差别；而与野生型对比，过表达 OsMYC2 植株对稻瘟病菌呈现良好抗性，且 2 个温度条件下没有明显差别。

以上结果表明，JA的合成途径参与了温度介导的基础抗性。

JA 信号激活下降导致温暖条件下基础抗性基因表达下调

RT-PCR 显示，在 OsCOIi RNAi 和 osmyc2 突变体植株中，水稻基础抗性基因表达水平都发生显著下调，并可以被外源施加 MeJA 处理所恢复，特别是基础抗性基因 OsCEBiP（图 A-B）。与野生型不同，oscebip 突变体在 22°C 与 28°C 添加下对稻瘟病菌抗性没有明显差别（图 C-D）。

RiceNet 数据库预测，并通过酵母单杂交、EMSA、ChIP-PCR 实验证实（图 E-G），转录因子 OsMYB22 可以直接结合在 OsCEBiP 启动子。

酵母双杂交、BiFC、Co-IP 实验证实，OsMYB22 可以直接与 OsMYC2 结合（图 H-J）。

荧光素酶报告实验显示，OsMYB22 可以激活 OsCEBiP 的表达，并且 OsMYC2 可以进一步促进这一激活过程（图 K-L）。

osmyb22 突变体中，稻瘟病菌侵染并未诱导 OsCEBiP 表达（图 M）。

以上结果表明，28°C 条件下，OsMYB22 可以直接结合到 OsCEBiP 的启动子并激活其表达；而 22°C 条件下 JA 信号激活下降导致 OsCEBiP 表达下调。

图4 | 基础抗性基因 OsCEBiP 受 JA 信号通路调控，在水稻抗稻瘟病的温度调节抗性中发挥重要作用

研究结论

本研究发现，温暖环境（22°C）促进稻瘟病的发生，其分子机制如下：

在温暖环境（22°C）下，稻瘟病菌不能有效地诱导 JA 生物合成和信号传导，导致许多重要的基础抗性基因表达降低。转录因子 OsMYC2 和 OsMYB22 可以协同调节 OsCEBiP 的表达，从而调节水稻的基础抗性。JA 信号的激活减少导致基础抗性基因（如 OsCEBiP）在温暖条件（22°C）下的表达下调，从而导致水稻对稻瘟病的易感性增强。此外，施用 MeJA 可能是提高温暖环境下稻瘟病抗性的有效策略。

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关键词：抗性基因转录因子

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