褪黑素通过双重机制增强水稻抗稻瘟病能力：激活免疫反应与抑制病原菌生长的协同效应

本研究针对稻瘟病(Magnaporthe oryzae)防治中化学农药的环境风险问题，通过系统分析褪黑素(melatonin)在水稻-稻瘟菌互作中的双重作用机制，发现褪黑素处理能显著激活MAPK信号通路并上调OsCEBiP/OsCERK1依赖的防御基因表达，同时直接抑制病原菌菌丝生长、孢子形成和萌发。该研究为开发新型褪黑素生物农药提供了理论依据，对实现水稻绿色防控具有重要意义。

　　

稻瘟病被称为水稻的"癌症"，由真菌病原体稻瘟菌(Magnaporthe oryzae)引起，每年造成全球水稻减产10-30%，严重时甚至导致绝收。目前主要依赖三唑类和甲氧基丙烯酸酯类化学杀菌剂进行防治，但长期使用不仅带来环境残留问题，还导致病原菌产生抗药性。寻找高效、低毒、环境友好的生物农药替代品成为当务之急。褪黑素作为一种广泛存在于植物界的多效分子，已被报道参与植物生长发育和胁迫响应，但其在水稻-稻瘟菌互作中的具体作用机制尚不明确。

四川农业大学西南作物基因资源发掘与利用国家重点实验室的研究团队在《Rice》期刊发表重要研究成果，系统揭示了褪黑素通过"植物免疫激活"和"病原菌直接抑制"双重机制防治稻瘟病的作用机理。研究人员采用转录组分析、实时定量PCR、Western blotting等技术，结合病原菌表型观察和细胞死亡检测等实验方法，构建了褪黑素调控水稻抗病性的完整证据链。

在技术方法方面，研究首先通过RNA-seq数据分析褪黑素生物合成相关基因在稻瘟菌侵染后的表达模式；采用离体叶片接种实验评估不同浓度褪黑素处理对病斑面积的抑制效果；利用Western blotting检测MAPK3/6磷酸化水平；通过RT-qPCR分析防御相关基因表达；同时系统观察了褪黑素对稻瘟菌菌落生长、孢子产量、萌发率及菌丝细胞死亡的影响。

【褪黑素生物合成相关基因受稻瘟菌诱导表达】
研究发现稻瘟菌侵染可显著诱导水稻中褪黑素生物合成关键基因的表达。转录组数据分析显示，在不同水稻品种中，色氨酸脱羧酶基因OsTDC4普遍上调，OsTDC5在LTH等4个品种中表达增加，而乙酰血清素甲基转移酶基因OsASMT13在LTH等3个品种中显著激活。RT-qPCR验证实验进一步证实，在感病品种LTH中，这些基因的表达在接种后72-168小时内持续上调，表明褪黑素可能参与水稻对稻瘟菌的防御反应。

【褪黑素处理降低稻瘟病严重程度】
离体叶片接种实验显示，0.025-0.5 mM褪黑素处理能显著减少感病品种LTH的病斑面积，且抑制效果呈浓度依赖性。相关性分析表明褪黑素浓度与病斑面积呈显著负相关(R=-0.98)，0.5 mM处理时病斑面积减少约70%，证明褪黑素能有效增强水稻对稻瘟病的抗性。

【褪黑素激活水稻免疫反应】
机制研究表明，0.025 mM褪黑素处理15-30分钟即可显著诱导MAPK3/6的磷酸化激活。防御相关基因表达分析发现，0.5 mM褪黑素处理能持续上调几丁质结合蛋白OsCEBiP、病程相关蛋白OsPBZ1和转录因子OsNAC4的表达；OsPR10在12小时表达峰值时上调2.5倍；而茉莉酸信号抑制因子OsJAZ8的表达则被显著抑制。值得注意的是，在oscebip oscerk1双突变体中，褪黑素诱导的防御基因表达增幅明显减弱，表明其最大效应依赖于完整的几丁质受体系统。

【褪黑素直接抑制稻瘟菌生长发育】
在病原菌方面，1-4 mM褪黑素能浓度依赖性地抑制稻瘟菌在完全培养基(CM)、大米粉培养基(RPA)和PDA培养基上的菌落生长，其中CM培养基上抑制效果最显著。4 mM褪黑素处理可完全抑制孢子形成，使孢子产量从对照组的5×10⁵个/mL降至接近零。孢子萌发实验显示，随着褪黑素浓度增加，正常形成附着胞的孢子比例从78.6%(0 mM)降至接近0%(4 mM)，表明褪黑素能干扰稻瘟菌的侵染结构发育。

【褪黑素诱导稻瘟菌细胞死亡】
进一步研究发现，褪黑素处理可导致稻瘟菌菌丝细胞死亡，4 mM处理8小时后PI染色阳性细胞比例达85%。与此相反，活性氧(ROS)检测显示褪黑素能显著降低菌丝内H₂O₂积累，这与其已知的抗氧化特性一致，提示褪黑素可能通过破坏病原菌氧化还原稳态导致细胞死亡。

这项研究首次系统阐明了褪黑素在水稻-稻瘟菌互作中的双重作用机制：在植物方面，通过激活MAPK信号通路和上调防御基因表达增强基础免疫；在病原菌方面，直接抑制菌丝生长、孢子形成和萌发，并诱导菌丝细胞死亡。这一发现不仅丰富了植物-病原互作的理论体系，更重要的是为开发新型褪黑素基生物农药提供了科学依据。与现有生物农药相比，褪黑素具有同时增强植物免疫和抑制病原菌的双重优势，且作为天然物质环境友好，有望成为稻瘟病绿色防控的重要选择。研究还提示，将褪黑素与现有杀菌剂如异稻瘟净(isoprothiolane)联用，可能产生协同效应，降低化学农药用量，这为稻瘟病的综合治理提供了新思路。