Nature Microbiology | 浙江大学王蒙岑等发现微生物组调控植物抗病防御新机制

叶际微生物组诱导水稻对稻曲病的代谢防御

Phyllosphere microbiome induces host metabolic defence against rice false-smut disease

Article，Nature Microbiology，2023-05-04， [IF 30.964]

第一作者：刘晓玉（西澳大学博士研究生）、Matsumoto Haruna（浙江大学博士生）

通讯作者：王蒙岑

主要单位：浙江大学水稻生物学国家重点实验室和农业部作物病虫分子生物学重点开放实验室

- 介绍 -

近日，微生物领域国际著名期刊《Nature Microbiology》刊登了浙江大学王蒙岑等 “Phyllosphere microbiome induces host metabolic defence against rice false-smut disease”的研究论文。该成果破译了水稻宿主与穗部微生物联合防御病原菌侵染的分子机制，阐明了作物病害控残减毒防控技术的新靶点，为作物抗病品种的分子设计改良提供了新资源，被遴选为《Nature Reviews Microbiology》研究亮点。

稻曲病是由活体营养型病菌Ustilaginoidea virens引起的水稻穗部真菌病害，目前在全球范围内的水稻主产区均有不同程度发病。稻曲病的流行不仅导致水稻大幅减产，而且会在穗部积累严重危害人畜健康的生物毒素，严重影响稻米产量、品质和食品安全。化学防治是目前防治稻曲病的主要手段，但过量或不合理施用药剂不仅会带来农药残留超标的风险，同时也会对稻田有益生物产生威胁、诱导病原菌的杀菌剂抗药性，其生态风险一直备受争议。为了研发安全、环保和有效的稻曲病防控技术，科研团队在实验室与田间同时开展攻关，以期挖掘到有价值的潜在线索。在田间调研时，科研团队观察到同一品种的水稻在同一地点的相邻田块出现发病与抑病这两种截然相反的穗部性状，这暗示除先天免疫系统之外，宿主能通过“侵染响应开关”来精准及时地切断“侵染”通往“发病”的通道。研究人员初步推测这种切断侵染的开关很可能与植物防御系统中隐藏的分支——天然菌群密切相关。

先前大多研究已揭示根际菌群在维持植物宿主健康中的重要功能，但科研团队则意外地发现根际菌群结构在发病与抑病水稻之间不存在明显差异，而穗部菌群则表现出明显的结构差异。通过对穗部菌株的高通量分离和鉴定，团队从2357个菌株中筛选到31个能够诱导抑制穗部发病但不能直接拮抗U. virens的关键菌株，这也说明抑病稻穗的防御功能并不是通过穗部菌群与病原菌的直接互作来实现的，很可能由一种涉及宿主、穗部菌群和病原菌三者复杂互作的未知模式所介导。利用穗部代谢测定与相关性分析，科研团队首先锁定了穗部抑病性状与关键菌群、支链氨基酸（BCAAs）氨基转移酶之间的关联。进一步整合宿主基因组编辑、微生物分离试验和多种生化、遗传学技术手段，研究团队发现穗部关键菌群通过抑制支链氨基酸（BCAAs）氨基转移酶基因的表达来促进穗部BCAAs的局部积累，进而协助宿主防御稻曲病菌侵染。在BCAAs氨基转移酶基因的突变植株（Osbcat）中，独立于核心菌群的BCAAs积累也能够有效防御稻曲病菌侵染。防御机制解析表明，穗部BCAAs的积累能诱导病原菌发生Uvlao2介导凋亡样细胞死亡，从而阻止病害发生。基于上述发现，团队还开发了化学杀菌剂与BCAAs复配施药技术，开展了田间病害防控示范，在成功减少50%杀菌剂使用量的同时实现了理想防效。

近年来，稻曲病在全球水稻主产区的发生逐步加重，我国年均发生面积超4000万亩，导致减产超1.5亿公斤，严重威胁粮食安全生产。研究成果在植物与微生物组防御病害的互作机制上取得了新进展，为防控主粮作物真菌病害及实现“十四五”期间我国粮食安全保障的战略目标提供了新策略。该研究工作受国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目资助，农学院毕业生刘晓玉（目前为The University of Western Australia在读博士研究生）与浙江大学博士生Matsumoto Haruna为论文共同第一作者，王蒙岑教授为通讯作者。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41564-023-01379-x

研究亮点评述链接：https://doi.org/10.1038/s41579-023-00908-z

- 作者简介 -

第一作者

澳大利亚西澳大学

刘晓玉

博士研究生

硕士毕业于浙江大学农业与生物技术学院，主要研究方向为植物微生物组、植物蛋白及生理功能，在Nature Microbiology、Plant Cell & Environment、Environmental Science & Technology等期刊发表论文6篇。

浙江大学

农业与生物技术学院

Haruna Matsumoto

博士研究生

浙江大学农业与生物技术学院博士研究生，研究方向为植物与微生物互作、微生物种间互作，在Nature Plants、Nature Microbiology、Fundamental Research等学术期刊发表论文10篇。

通讯作者

浙江大学

农业与生物技术学院

王蒙岑

教授，博士生导师

国家优秀青年科学基金获得者，兼任农药学学报青年编委会副主任和常务青年编委、Crop Health执行主编、iMeta青年编委等。主要从事植物病害防治研究，先后主持国家自然科学基金、国家重点研发计划、浙江省自然科学基金、曹光彪高科技发展基金、教育部留学回国人员启动基金等科研项目，围绕植物-微生物-环境互作、植物病原菌致病机制、植物与微生物源农药等领域开展了一系列工作，相关研究成果在Nature Microbiology、Nature Food、Nature Plants、Fundamental Research等期刊发表论文50余篇，多篇入选封面论文、ESI热点和ESI高被引论文、F1000三星最高推荐，国家发明专利授权6项，获2022年度中国农学会青年科技奖。