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mBio | 湖南大学揭示内生放线菌调控水稻生长与防御平衡的作用机制
2021年08月14日    查看156次

农业生产中为了减少各种病害带来的重大损失,目前常用的经济且环保的方法是选育作物抗病品种或利用抗病基因增加作物抗病性。但是,植物防御病害能力与其正常生长发育为一对矛盾体,为了提高其抗病害能力,植物通常会以牺牲自己部分生长发育作为代价,将更多的能量转移到防御机制上。因此,平衡生长和防御之间的矛盾是实现作物抗病增产的关键,其调控机制这一科学问题已成为当前研究的热点和难点。在自然界中,植物生境中存在着多种微生物,可通过与植物发生相互作用调节作物生长与防御间的平衡。截至今日,已发现一些具有此潜力的有益微生物,比如,内生假单胞菌(Pseudomonas)和生防木霉菌(Trichoderma)等。目前,这方面的研究虽然已经起步,但局限于非常有限的微生物种类,关于益生菌介导的抗病与生长平衡的调控机制研究则几乎是空白。

2021年8月10日,美国微生物综合顶级开源期刊mBio在线发表了来自湖南大学生物学院植物-微生物互作科研团队题为“EndophyticStreptomyces hygroscopicusOsiSh-2-Mediated Balancing between Growth and Disease Resistance in Host Rice”的研究论文。该研究揭示了内生放线菌OsiSh-2与水稻形成共生体,诱导宿主水稻进入“防御警备”状态,增强抗病能力的同时参与调控生长与防御相关代谢途径的响应水平,从而维持水稻生长和防御平衡的作用机制。



研究通过多年的大田实验证实内生放线菌OsiSh-2具有突出的生防潜力,叶表喷施其孢子悬液可显著降低水稻苗瘟和穗瘟的发病率,防效分别可达45.3%和61.0%。同时,在未感病和感病状态下,经OsiSh-2处理的水稻相比对照组均有明显的促生增产效果,且该过程依赖于OsiSh-2活体形式。进一步研究表明,OsiSh-2一方面能直接抑制稻瘟病菌生长,阻止其通过叶表入侵水稻;另一方面,在与水稻形成共生体后,能使水稻处于高效节能的防御警备状态,提高对病原菌的识别和响应能力,并维持水稻相对稳定的生长状态;同时,OsiSh-2还能有效促进水稻叶绿体发育并提高光合作用效率,在维持感病时水稻的正常生长发育也具有突出作用。

本研究利用蛋白质组学研究技术结合转录水平分析在分子水平上确证了OsiSh-2参与水稻体内生长和防御相关代谢通路的调控。感病后,对照组水稻体内大量蛋白被稻瘟病菌激活表达。生信分析结果表明,这些蛋白多聚类于能量供应或消耗相关的代谢途径,如脂肪酸降解、糖酵解/糖异生、核糖体、内吞作用和双萜类物质合成等。相比对照组,近80%的上述蛋白表达水平在OsiSh-2处理组中降低,表明OsiSh-2有效缓解了感病时水稻体内能量的急剧消耗,这对维持水稻正常生长发育是至关重要的。同时,OsiSh-2还有效降低了稻瘟病菌对水稻体内光合作用和氮代谢过程的抑制,以保证能量的不断产生与供给,最终实现感病时生长与防御之间的相互平衡。

图1.内生放线菌OsiSh-2在田间可增强水稻抗稻瘟病能力并提高产量


2.内生放线菌OsiSh-2调控水稻生长和防御平衡的作用模式图


博士后高艳为本论文第一作者,朱咏华教授和刘选明教授为共同通讯作者。湖南亚华种业科学研究院和杂交水稻研究中心的杨远柱研究员等也参与了本研究的部分工作。本研究得到国家自然科学基金、湖南省重点研发项目和湖南省重大科技专项等项目的资助。

湖南大学生物学院朱咏华教授研究组长期以植物内生菌(主要为放线菌)为研究对象,分离并筛选具有调控植物生长发育及抗逆能力的功能性内生菌,并研究其和与植物互作的分子机制,开发用于生物农药、肥料的微生物资源和高活性代谢产物生产的新途径。该团队先后在Total of science environment、TheCropJournal、Biotechnology for Biofuels等国内外重要学术期刊上发表50多篇高水平研究论文,获得授权专利5项。

论文链接: https://journals.asm.org/doi/10.1128/mBio.01566-21