小麦中由引发剂诱导的抗白粉病性状及植物生物量相关的基因组位点

《Current Plant Biology》：Genomic loci for priming-induced powdery mildew resistance and plant biomass in wheat

小麦粉锈病抗性诱导研究中，利用根内共生真菌S. indica对175个基因型小麦品种进行预处理，发现品种间对Bgt的抗性存在显著差异，并关联到多个QTLs及候选基因（如Flavonoid 3'-hydroxylase、Chaperone protein DnaJ、Glutathione S-transferase）。

　　在当今全球气候变化的背景下，农业面临着前所未有的挑战。气温升高和极端天气事件的频繁发生不仅改变了季节模式，还促进了新病害和害虫的出现，这些因素对粮食安全构成了严重威胁。小麦作为全球最重要的粮食作物之一，其产量占世界总热量摄入的约20%，并且是蛋白质的重要来源。然而，随着气候变化的影响加剧，小麦的产量稳定性正受到越来越多的威胁，尤其是由生物真菌引起的病害，如小麦白粉病。这种病害由Blumeria graminis f. sp. tritici (Bgt)引起，是一种在温带气候区域极具破坏力的病害。白粉病不仅影响小麦的产量，还显著降低作物的生长质量和抗逆性。传统的防治方法依赖于化学杀菌剂的频繁使用，但这种做法导致了Bgt菌株对杀菌剂产生耐药性的快速进化。此外，一些主要地区，如欧洲联盟，已经实施政策限制多种杀菌剂的使用，这进一步减少了有效的植物保护手段。

鉴于这些挑战，研究者们正在寻找新的植物保护策略，以减少对化学农药的依赖并提高作物的抗逆性。其中，植物免疫系统的激活被视为一种有前景的替代方案。植物的先天免疫系统可以在局部和系统水平上提供保护，而系统获得性抗性（SAR）和诱导系统性抗性（ISR）则是植物系统性保护的两个重要机制。ISR通常由有益微生物触发，这些微生物在植物定植过程中会引发微弱的免疫反应，为植物建立系统性防御做好准备。在随后的病原体攻击中，这种诱导的系统性抗性可以增强植物对多种病原体的抵抗力，从而提升其整体健康水平。

在这一背景下，Serendipita indica作为一种根内生真菌，已被证明能够诱导植物的系统性抗性，从而增强其对生物和非生物胁迫的耐受性。这种真菌通常以双相方式定植于植物根部，其孢子通过附着结构穿透根表皮，促进生物亲和的菌丝生长，主要在根毛和分生组织区域。经过3-5天后，其生活方式转变为腐生，在一些被定植的细胞中诱导细胞死亡以支持孢子的内生繁殖。这种真菌不仅能够诱导植物的系统性抗性，还能够促进植物的生长和产量。因此，S. indica被视为研究微生物诱导系统性抗性（IR）的潜在模型。

本研究旨在评估S. indica诱导的系统性抗性对175个遗传多样性小麦品种的影响。这些小麦品种来自全球40个国家，代表了广泛的遗传背景。研究发现，这些品种在S. indica处理下表现出不同的反应。其中，有九个品种在Bgt感染方面表现出显著差异，六个品种显示出较低的感染水平，而三个品种则表现出较高的感染水平。此外，研究还评估了处理对植物地上部和地下部鲜重的影响，发现不同品种在这些指标上也有不同的反应。这表明，S. indica诱导的系统性抗性具有显著的遗传多样性，且不同品种对这种处理的反应各异。

通过全基因组关联分析（GWAS），研究人员确定了多个与Bgt抗性、地上部鲜重（SFW）和地下部鲜重（RFW）相关的数量性状位点（QTLs）。研究发现，有8个QTLs与SFW相关，2个QTLs与RFW相关，而15个QTLs与Bgt抗性相关。这些QTLs分布在小麦的17条染色体上，其中一些QTLs位于7A染色体上。通过分析这些QTLs，研究人员识别出30个候选基因，这些基因可能参与系统性抗性相关的防御途径。其中包括与抗性相关的基因，如Flavonoid 3'-hydroxylase、Chaperone protein DnaJ和Glutathione S-transferase。这些发现不仅揭示了小麦中系统性抗性的遗传多样性，还为未来利用微生物诱导系统性抗性进行小麦品种改良提供了重要的候选基因。

研究还指出，尽管系统性抗性通常被认为对植物有益，但某些情况下可能会产生负面效果。例如，某些品种在S. indica处理下表现出地上部鲜重和地下部鲜重的减少，或者感染程度的增加。这表明，系统性抗性并非对所有品种都具有普遍的正面影响，其效果可能因品种而异。此外，研究还发现，系统性抗性对不同品种的影响是特异性的，这进一步支持了系统性抗性与植物基因型之间的复杂关系。

本研究的结果为未来小麦品种的抗病育种提供了重要的参考。通过识别与系统性抗性相关的候选基因，研究者可以进一步探讨微生物诱导系统性抗性的机制，并利用这些信息开发出更具抗性的小麦品种。此外，这些基因的鉴定也为在育种过程中筛选对S. indica处理敏感的品种提供了基础。尽管当前的研究主要集中在Bgt抗性上，但这些基因可能也参与其他病害的防御反应，因此具有广泛的应用前景。

研究还强调了微生物诱导系统性抗性在农业可持续发展中的重要性。随着对化学农药使用的限制，寻找替代的植物保护策略变得尤为重要。S. indica作为一种根内生真菌，其诱导的系统性抗性不仅能够提高小麦的抗病能力，还能够增强其对非生物胁迫的耐受性。这种多方面的保护作用使得S. indica成为研究植物免疫系统的重要工具。

此外，研究还指出了系统性抗性与植物内源性防御途径之间的联系。例如，系统性抗性可能涉及植物内源性防御反应中的关键调控因子，如非表达者-病原相关基因1（NPR1），该因子在茉莉酸（JA）、乙烯（ET）和水杨酸（SA）等植物激素之间的相互作用中起着重要作用。这种激素信号通路的调控可能在系统性抗性的建立和维持中发挥关键作用。

总的来说，本研究揭示了S. indica诱导的系统性抗性在小麦中的遗传基础和潜在应用价值。通过识别与系统性抗性相关的候选基因，研究者为未来小麦抗病育种提供了新的方向，并强调了微生物诱导系统性抗性在提升作物抗逆性方面的潜力。这些发现不仅有助于理解植物与微生物之间的复杂相互作用，还为农业可持续发展提供了新的思路。