双重功能生防菌Kosakonia oryziphila NP19通过启动水稻防御反应抑制稻瘟病并促进生长

《Plant Stress》：A dual-function biocontrol agent, Kosakonia oryziphila NP19, suppresses rice blast and promotes rice growth by priming host defense responses

本研究针对稻瘟病这一严重威胁全球粮食安全的病害，探讨了从水稻根系分离的Kosakonia oryziphila NP19菌株作为生防菌的潜力。研究发现，该菌株能通过启动宿主防御反应，显著降低病害严重度16.5%，并促进水稻幼苗生长（株高增加12-17%，生物量最高增加23%）。其作用机制涉及调节抗氧化酶系统（如APOX、POX）活性、动态调控防御相关基因（如OsALD1、OsPR1a/b）表达以及产生多种生物活性化合物。该研究为开发可持续农业病害管理策略提供了新资源。

　　

稻米是全球半数人口的主粮，但其生产持续受到稻瘟病的严重威胁。这种由Pyricularia oryzae真菌引起的病害，在适宜条件下可导致作物绝收。目前，稻瘟病的防治主要依赖化学杀菌剂，但过度使用不仅引发环境问题，还导致病原菌产生抗药性。因此，开发高效、环保的生物防治策略成为可持续农业发展的迫切需求。

在此背景下，植物根际促生菌（PGPR）因其能够促进植物生长、诱导系统抗性且环境友好而备受关注。其中，Kosakonia oryziphila作为一种“竞争性内生菌”，显示出兼具生防和促生能力的潜力。然而，人们对Kosakonia species的了解仍相对有限。为此，研究人员深入探讨了Kosakonia oryziphila NP19菌株（NCBI登录号PP861312）与水稻幼苗及稻瘟病菌的互作机制，旨在评估该菌株防治稻瘟病的潜力，并验证其能通过启动宿主防御机制来增强水稻对稻瘟病的抵抗力并促进植株生长的假设。

本研究发表在《Plant Stress》上。为了回答上述问题，研究团队开展了一系列实验。他们首先通过气相色谱-质谱联用（GC-MS）分析了NP19菌株产生的挥发性有机化合物。接着，在水培条件下，以泰国香稻品种KDML105为材料，设置了四个处理组：未接菌未接病（R）、接NP19菌未接病（RB）、未接菌接稻瘟病菌（RF）以及接NP19菌接稻瘟病菌（RBF），在接种病原菌后第2、10、20、30天（DAFI）进行采样。研究评估了病害严重度、计算了病情进展曲线下面积（AUDPC），检测了水稻防御相关基因（OsALD1, OsPR1a, OsPR1b, OsGLN, Cht-1, OsWRKY28）的表达动态，测定了抗氧化酶（CAT, APOX, POX, SOD）活性、丙二醛（MDA）和过氧化氢（H₂O₂）含量等生理指标，并分析了植株生长参数和细菌定殖情况。

3.1. 次级代谢物分析

通过GC-MS分析，从K. oryziphila NP19的培养物中鉴定出6个特有的峰值，推测其对应的化合物包括α-D-吡喃葡萄糖苷、甲基、(1R,2R,10bR)-(+)-2-[(2-羟基-7,7-二甲基双环[2.2.1]庚烷-1-基)甲基亚磺酰基]-8,9-二甲氧基-1,10b-二甲基-1,5,6,10b-四氢吡咯并[2,1-a]异喹啉-3-酮、2-叠氮-2,4,4,6,6,8,8-七甲基壬烷、铁、三羰基[N-(苯基-2-吡啶基亚甲基)苯胺-N,N']、1,4-二氢-5,7-二甲氧基-9,10-蒽醌以及硫代硫酸(H₂S₂O₃), S-(2-氨乙基)酯。其中，1,4-二氢-5,7-二甲氧基-9,10-蒽醌和硫代硫酸(H₂S₂O₃), S-(2-氨乙基)酯已知具有抗真菌、抗氧化等生物活性，可能在其生防功能中发挥作用。

3.2. 稻瘟病评估

接种种NP19菌株并挑战稻瘟病菌（RBF处理）的水稻幼苗，其病害严重度在整个实验期间（45.7%–69.1%）均低于仅接种病原菌的RF处理（59.3%–81.5%）。计算得到的病情进展曲线下面积（AUDPC）在RBF处理（167.8）也显著低于RF处理（201.6），表明NP19菌株处理使病害严重度降低了16.5%，证明其对稻瘟病具有显著的抑制效果。

3.3. 水稻抗病基因表达谱

基因表达分析显示，NP19菌株预接种改变了水稻防御基因的表达时序。在感染早期（2 DAFI），早期诱导基因OsALD1在RF处理中显著上调（7.5倍），而在RBF处理中上调幅度较小。病程相关（PR）基因如OsPR1a, OsPR1b, OsGLN（编码内切-1,3-β-葡聚糖酶）, Cht-1（编码几丁质酶）以及转录因子基因OsWRKY28的表达，在早期（2 DAFI）受到抑制，但在后期（10-20 DAFI）则被诱导上调。特别是在30 DAFI时，RF处理中OsPR1a, OsPR1b和OsGLN的表达与病害严重度呈负相关，而在RBF处理中则呈正相关，表明NP19菌株的存在改变了植物防御反应的模式，可能使其更有效且持续。

3.4. 抗氧化酶活性

NP19菌株的定殖影响了水稻的抗氧化系统。在未接病原菌条件下，NP19处理（RB）提高了过氧化氢酶（CAT）、抗坏血酸过氧化物酶（APOX）和过氧化物酶（POX）的活性，但降低了超氧化物歧化酶（SOD）的活性。在病原菌挑战下（RBF处理），NP19菌株帮助恢复了在RF处理中被严重抑制的CAT活性，并在20 DAFI时表现出比RF处理更高的SOD活性。这表明NP19菌株能够 priming（启动）植物的抗氧化防御系统，使其在面临病原菌侵染时能更有效地管理氧化应激。

3.5. 丙二醛含量

丙二醛（MDA）是脂质过氧化的标志物。在接病原菌的处理中（RF和RBF），MDA含量在早期（2 DAFI）均显著高于对照（R），表明细胞膜受到了氧化损伤。然而，在RBF处理中，MDA含量在2-20 DAFI期间略低于RF处理，且在30 DAFI时，RBF处理的MDA水平已接近对照，而RF处理仍较高。这说明NP19菌株在一定程度上减轻了病原菌引起的膜脂过氧化损伤。

3.6. 过氧化氢含量

过氧化氢（H₂O₂）是重要的活性氧（ROS）信号分子。在2 DAFI时，RB、RF和RBF处理的H₂O₂含量均高于R处理，表明NP19菌株和病原菌均能诱导植物的氧化爆发。值得注意的是，在20 DAFI时，RBF处理的H₂O₂水平显著下降至与对照无显著差异，而RF处理的H₂O₂水平仍维持在高位。这表明NP19菌株有助于在防御反应后期更有效地清除H₂O₂，避免其过度积累造成毒害。

3.7. 植株生长和色素含量评估

NP19菌株表现出明显的植物生长促进作用。在未接病原菌条件下，RB处理的水稻幼苗株高和总生物量均高于R处理。在病原菌胁迫下，RBF处理的株高和生物量也显著高于RF处理。例如，与RF处理相比，RBF处理使株高增加了12-17%，生物量增加了最多23%。这表明NP19菌株不仅直接促进生长，还能缓解病原菌对生长的抑制作用。叶绿素和类胡萝卜素含量在各处理间无稳定显著差异。

3.8. 细菌定殖分析

NP19菌株能够成功定殖于水稻的根表（Rs）、根内（Ri）和地上部（S）。在接菌又接病原菌（RBF）的处理中，根表和根内的细菌数量在30 DAFI时均高于仅接菌（RB）的处理，表明病原菌的挑战可能刺激了NP19菌株在根部的定殖。

讨论与结论

本研究首次在分子水平上系统报道了Kosakonia oryziphila NP19作为兼具生防和促生功能的双重作用菌株。其生防机制是多方面的：首先，NP19菌株能够产生多种潜在的生物活性化合物，如具有抗真菌和抗氧化活性的蒽醌类衍生物和含半胱胺的硫代硫酸酯，这些化合物可能直接抑制病原菌或帮助植物维持活性氧（ROS）平衡。其次，NP19菌株能够“启动”水稻的防御系统，表现为动态调节一系列防御相关基因（如OsALD1, OsPR1a/b, OsGLN, Cht-1, OsWRKY28）的表达，并增强抗氧化酶（如CAT, APOX, SOD）的活性。这种 priming 效应使植物在遭受病原菌侵染时能做出更快速、更有效的防御反应，同时避免过度的氧化损伤（体现为后期H₂O₂和MDA水平的有效控制）。最后，NP19菌株本身具有的植物生长促进特性（如固氮、溶磷、产IAA）直接促进了水稻的生长，并部分抵消了病原菌引起的生长抑制。

综上所述，Kosakonia oryziphila NP19通过调控宿主的防御时间线、增强生理防御反应（特别是抗氧化系统）以及直接促进生长，赋予水稻对稻瘟病的抗性。该菌株作为一种有前景的生防候选菌株，为减少化学农药依赖、实现水稻可持续生产提供了新的工具。未来的研究应着重于评估NP19在田间条件下的防效稳定性、其代谢产物在病原胁迫下的调控机制以及与其他农业措施的兼容性。