PGPR诱导的防御启动增强了不同种植密度下小麦对禾谷镰刀菌的抗性

《Physiological and Molecular Plant Pathology》：PGPR-Induced Defense Priming Increases Wheat Resistance to Bipolaris sorokiniana Under Different Planting Densities

　　

**摘要**

小麦产量因由梭条斑端孢（*Bipolaris sorokiniana*）引起的斑点病而受到严重制约，在密植条件下，资源种内竞争进一步加剧了病害严重程度。本研究探索了一种可持续的、生物驱动的策略，以增强小麦在不同种植密度下对病原体胁迫的耐性。我们证明了植物促生根际杆菌（PGPR）介导的防御启动能够增强小麦在不同竞争水平下对*B. sorokiniana*的抗性。提高种植密度会导致启动和非启动植株的生长性状普遍下降；然而，启动植株始终表现出优于非启动植株的形态学表现。在病原体胁迫下，PGPR启动的植株在所有密度条件下均表现出增强的耐受性，尽管竞争强度增加，但保护水平仍保持稳定。生化分析，包括光合色素、氧化应激标志物、酶促及非酶促抗氧化剂和防御相关酶，揭示启动植株中增强的防御反应是在病原体暴露后特异性激活的，证实了真正的启动状态已建立。在分子水平上，在低密度（D1）条件下对*PR1*和*PR3*基因上游2 kb调控区域的表观遗传学分析显示，通过MspI/HpaII限制性酶切评估，存在差异性的DNA甲基化模式，表明启动相关的表观遗传重编程。这些变化可能有助于病原体挑战时防御相关基因的转录激活增强。相比之下，最高密度（D3）下的非启动植株在竞争和病害胁迫的双重作用下表现出最大的感病性。*Bacillus amyloliquefaciens*介导的启动缓解了与高密度胁迫相关的适合度成本，同时降低了病害严重程度。值得注意的是，PGPR启动的植株在所有种植密度下均维持了较高的产量表现。综合而言，这些发现确立了PGPR诱导的防御启动作为一种生态友好且有效的策略，可增强小麦对*B. sorokiniana*的抗性，并在密植条件下维持产量。

**引言**

小麦是全球粮食安全的重要基石，也是最重要的粮食作物之一，在满足快速增长人口的营养需求方面发挥着关键作用[1]、[2]。在印度，小麦对国民经济和粮食安全至关重要。尽管印度仅占全球小麦栽培面积的约12.5%，但其贡献了约12%的世界小麦总产量[3]。与此同时，真菌病原体严重程度的不断上升正成为农业面临的主要挑战，因为这些病原体会侵染具有重要经济价值和口粮价值的作物，从而对全球粮食安全构成严重威胁[4]。

种植密度是决定小麦生长、产量和作物健康的基本农艺因素，它通过影响资源可用性和冠层结构发挥作用[5]、[6]。种植密度决定了植物的空间分布，并调节冠层内的关键微气候条件，包括光照穿透、湿度和空气流通[6]。过高的种植密度导致对水、养分和光等必要资源的水竞争加剧，最终限制植物生长并降低产量潜力[7]、[8]。随着种植密度增加，每株植物的资源可用性下降，导致资源利用效率低下和作物生长模式的不均匀性[9]、[10]。此外，茂密的冠层往往通过维持较高的湿度和降低空气流通，为病原体繁殖创造有利条件，从而将种植密度与病害严重程度直接联系起来。

鉴于这些挑战，优化种植密度是改善小麦在生物和非生物胁迫下表现的关键管理策略[11]。适宜的播种量达到最佳密度（100-150株/m2）可促进均衡的冠层结构、增强光合效率，并支持更多的生物量积累和籽粒产量[8]、[12]、[13]。此外，最佳种植密度确保幼苗均匀建立、资源高效利用和微气候条件改善，从而共同提高作物产量并降低投入成本[14]、[15]。相反，过高和过低的种植密度都会对作物表现产生不利影响，要么因竞争加剧，要么因资源未充分利用，尽管较低的种植密度偶尔可能会增加每穗粒数[16]。因此，根据环境条件和品种需求优化种植密度，对于最大化产量、调节植物-病原体相互作用以及确保可持续小麦生产都至关重要[17]、[18]。

由半生物营养型真菌病原体梭条斑端孢（*Bipolaris sorokiniana*）引起的斑点病，是热带和亚热带温暖湿润地区小麦生产的主要限制因素[19]、[20]。在印度，自绿色革命以来其严重程度显著增加，已成为限制小麦产量的关键因素[21]、[22]。该病害造成平均产量损失约5.5%，但在适宜条件下，损失可达40-44%甚至高达80%，严重情况下可能导致几乎完全绝收和籽粒品质下降[23]、[24]、[25]、[26]。症状最初表现为叶片上的小褐色病斑，随后扩展为大块坏死斑，严重感染可能影响穗部和种子，导致籽粒萎缩和胚损伤[20]。此外，*B. sorokiniana*还与普通根腐病、苗枯病和黑点病等其他病害相关，进一步增加了其经济影响[24]、[27]。

在小麦中，种植密度通过其对冠层微气候和植物竞争的影响，强烈影响病害动态。较高的密度促进冠层封闭，增加湿度和叶片湿润度，同时减少空气流通，从而为病原体发育创造有利条件并加剧病害压力[28]、[29]。同时，对光、水和养分的竞争加剧会降低植物活力并增强对感染的敏感性[30]。尽管*B. sorokiniana*具有重要影响，但当前的管理策略——如抗性品种、杀菌剂和作物轮作——往往受到病原体变异性、杀菌剂抗性和环境问题的限制[31]、[32]。这些局限性凸显了可持续和综合方法的需求，其中防御启动已成为增强植物对生物胁迫韧性的有前景策略[33]。

植物拥有精密的免疫系统，使其能够感知并应对环境信号和病原体攻击；然而，在严重胁迫条件下，这些防御往往不足。防御启动提供了一种可持续的替代方案，即先前的温和刺激暴露使植物在后续胁迫下能够更快地建立更强的反应，通过建立与代谢、转录和表观遗传重编程相关的"启动状态"[32]、[34]、[35]、[36]、[37]。该状态以最小的代谢成本增强防御激活，可由生物制剂、非生物信号或化学诱导物诱导[38]、[39]。

重要的是，启动效应可能持续整个植物生命周期，有时还能跨代传递，代表一种由表观遗传机制调节的免疫记忆形式，如DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和微小非编码RNA[40]、[41]、[42]、[43]。DNA甲基化通常使用甲基化敏感限制酶（HpaII/MspI）评估，在胁迫响应基因表达中发挥关键作用[44]、[45]、[46]。越来越多的证据支持有益微生物，特别是PGPR，在诱导植物稳定启动状态中的作用[47]、[48]、[49]。值得注意的是，这种启动可以是可遗传的，如小麦中PGPR诱导的对*B. sorokiniana*抗性所示[46]、[47]。

种植密度和生物胁迫通过资源竞争与植物激活防御机制能力之间的平衡而紧密相关。然而，尽管防御启动研究取得了显著进展，但农艺因素如种植密度在调节启动效率和病害抗性中的作用仍了解甚少，特别是在病原体压力下。尽管PGPR介导的启动已被公认为能增强胁迫耐受性，但其在不同种植密度下的有效性及其与防御基因表观遗传调控的相互作用在很大程度上尚未被探索。仅在化学（BABA）诱导的启动在竞争和梭条斑病双重胁迫下的证据有限[30]。

基于这些考虑，我们假设PGPR介导的启动可以使小麦预先适应以更好地承受种植密度引发的竞争和*B. sorokiniana*胁迫的综合作用，通过增强形态学、生化和防御反应。此外，我们假设表观遗传修饰，特别是启动阶段DNA甲基化的变化，可能有助于启动记忆的形成，并在随后病原体挑战时促进防御相关基因的转录增强，从而实现更快更强的防御反应。

在此背景下，本研究调查了PGPR（*Bacillus amyloliquefaciens*）介导的防御启动在不同种植密度下生长并接种*Bipolaris sorokiniana*的小麦中的作用。本研究旨在确定PGPR诱导的启动是否能在与密植条件相关的竞争加剧下维持植物生长并增强病害抗性。

**材料**

本研究的植物材料为小麦品种HUW-510（又称Malviya Wheat 510），这是一个高产量、晚播品种，于1999-2000年发布，以其对由*Bipolaris sorokiniana*引起的斑点病高度感病而知名[50]。种子购自巴拿拉斯印度大学农业科学学院遗传学和植物育种系。

**PGPR菌株**

植物促生根际杆菌（PGPR）*Bacillus amyloliquefaciens*菌株B16（登录号KF479460.1）被用于本研究。

**结果**

在不同种植密度下，接种病原体后研究了PGPR诱导启动的效应。对启动和非启动植株的生长属性、病害严重程度和生化反应进行了评估。根据竞争压力和病原体暴露程度，记录了不同的处理相关变异。

**讨论**

本研究证明种植密度是影响PGPR介导的防御启动有效性和小麦对*B. sorokiniana*后续抗性的关键因素。随着种植密度的增加，启动（P）和非启动（C）小麦植株中与生长相关的性状——包括苗长、鲜重和干重以及总叶面积——均逐步降低（图1a-f）。这种降低与对光、养分和水的植物间竞争加剧一致。

**结论**

本研究证明，使用*Bacillus amyloliquefaciens*进行启动可增强小麦对由*Bipolaris sorokiniana*引起的斑点病的抗性，同时在不同种植密度和病原体胁迫水平下支持生长和产量。PGPR启动的植株维持了优越的生理表现，表现出增强的抗氧化能力、防御相关酶活性以及保护性代谢物的积累，共同有助于降低病害严重程度。

**CRediT作者贡献声明**

Prashant Singh：撰写-初稿，监督，资源，项目管理，资金获取，概念化。

Nandita Dubey：验证，方法学，调查。

Nidhi Yadav：可视化，验证，方法学。

Bandana Devi：撰写-初稿，可视化，验证，方法学，调查。

**利益冲突声明**

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本论文所报告工作的客观性。

**资金支持**

本研究得到了科学与工程研究委员会（SERB）核心研究资助（CRG）计划（资助编号CRG/2023/001357）的支持，并额外获得了巴拿拉斯印度大学、瓦拉纳西卓越研究所（IoE）的种子资助（种子资助编号R/Dev/D/IoE/Additional (Seed Grant)/2024-25/83036），授予PS。

**利益冲突声明**

? 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系，这些可能影响本论文所报告工作的客观性。

**致谢**

我们衷心感谢印度北方邦迈奥库什马尔的中央农业研究委员会全国农业创新市场（ICAR-NBAIM, Kushmaur, Mau, Uttar Pradesh, India）的Udai B. Singh博士提供*Bacillus amyloliquefaciens* B16。我们诚挚感谢巴拿拉斯印度大学农业科学学院真菌学与植物病理学系Ramesh Chand教授提供*B. sorokiniana* HD 3069病原体。我们感谢巴拿拉斯印度大学农业科学学院遗传学与植物育种系Sandeep Sharma博士提供小麦（HUW 510）种子。

**作者信息**

Bandana Devi | Nidhi Yadav | Nandita Dubey | Prashant Singh

印度北方邦瓦拉纳西，巴拿拉斯印度大学农业科学学院，植物学系