单一菌株 Priestia sp. 通过激活植物的免疫反应，赋予水稻对稻瘟病的抗性

《Physiological and Molecular Plant Pathology》：A single strain Priestia sp. confers resistance to rice blast through the activation of plant immune responses

水稻稻瘟病的生物防治机制研究：发现Priestia sp.菌株通过激活植物免疫和调控代谢（如2-羟基查耳酮积累）显著降低感染率至44.44%，为可持续农业提供新策略。

　　

Jirong Shi|Mengyao Yan|Jiajie Lou|Qiuyun Liu|Hanrong Qiu|Xinqing Wu|Jiahong Dong|Liwei Sun|Yinhua Ni|Zhengwei Fu|Haifeng Qian|Tao Lu

中国浙江省工业大学环境学院绿色化学合成与转化国家重点实验室，杭州，310032

摘要

生物防治为植物病害的可持续管理提供了重要途径。然而，目前大多数策略主要集中在直接对抗病原体上，而通过增强宿主免疫力来间接控制病害的努力则相对较少受到关注。在这项研究中，发现了一种名为Priestia的菌株，它可以激活水稻的先天免疫反应，并有效抑制Magnaporthe oryzae的感染，使感染率降至44.44%，而仅用M. oryzae处理的对照组感染率为100%。喷洒Priestia菌株悬浮液显著增强了水稻叶片中的氨基酸代谢和苯丙素生物合成，尤其是在受感染植物的黄酮类化合物分支中。代谢组学分析进一步证实了黄酮类化合物和氨基酸的积累，这些化合物与植物的免疫反应密切相关。在黄酮类化合物中，2-羟基查尔酮被鉴定为一种关键化合物，其含量显著增加。外源施用2-羟基查尔酮显著减少了受感染植物的病斑数量和大小，从而验证了其抗真菌作用。这些发现表明Priestia菌株通过激活免疫和重新编程代谢过程，增强了水稻对M. oryzae的抵抗力，凸显了其作为可持续生物防治剂的潜力，有助于减少化学农药的依赖并维护农业生态系统的稳定性。

引言

由Magnaporthe oryzae真菌引起的水稻瘟病是全球水稻生产的主要限制因素[1]。化学防治是控制这种病害的有效方法，但它可能对环境以及人类和动物的健康产生有害影响[2]。全球每年大约使用200万吨农药，其中除草剂占47.5%，杀虫剂占29.5%，杀菌剂占17.5%，其他类型的农药占5.5%[3]。尽管农药对作物保护和提高产量不可或缺，但过度使用农药会威胁生态平衡，加速生物多样性的丧失，并促进目标生物的抗性发展[4]。因此，人们对可持续和环保的病害管理策略的兴趣日益增加。近年来，关于病原体攻击下植物免疫激活机制的研究也日益深入[5,6]。

植物通过产生活性氧（ROS）、半纤维素、木质素和防御相关植物激素来对抗生物营养型和坏死营养型病原体[[7], [8], [9], [10]]。越来越多的证据表明，生物防治细菌通过代谢产物的产生和免疫激活来增强植物健康[11,12]。在病原体攻击下，植物可以招募有益微生物到根际，调节微生物群落组成，使其处于抑制病害的状态[[13], [14], [15]]。这些发现为植物免疫提供了见解，并为开发新的病害管理策略奠定了基础。然而，特定生物防治菌株如何诱导针对真菌病原体的免疫机制仍不清楚。

诱导的系统抗性（ISR）是益微生物-植物相互作用的一个明确结果，其特征是对多种病原体和害虫的防御能力得到增强[16,17]。从Arabidopsis thaliana中分离出的一种Sphingomonas melonis菌株被证明可以诱导一组防御相关基因，并增强对Pseudomonas syringae DC3000的抗性[18]。Tzipilevich等人证明，细菌在根部的定植会诱导宿主的免疫反应，包括产生ROS，并刺激细菌的生长素生物合成[19]。宿主免疫系统与微生物群之间的这种互惠反馈循环促进了双方在植物整体生物体内的共同适应性和稳定性。

基于上述概念，提出了以下假设：（1）生物防治细菌在抑制水稻瘟病中起关键作用；（2）它们的应用可以诱导并激活水稻植物的ISR，从而减少真菌感染；（3）感染会诱导代谢产物的分泌，这些代谢产物可以增强ISR介导的防御。为了验证这些假设，研究人员检验了之前从水稻瘟病感染田地中分离出的三种生物防治菌株[20]。其中Priestia菌株被证明是最有效的。为了阐明其作用机制，进行了转录组学和代谢组学分析，以确定参与水稻免疫的关键途径和代谢产物。通过外源施用验证了代谢组学分析结果。因此，这些结果揭示了Priestia菌株在对抗水稻瘟病中的重要作用，并强调了其在维护水稻植物健康方面的潜力。

材料说明

生物材料

本研究中使用了Oryza sativa L. subsp. indica cv. 9311品种。此外，还使用了由中国南京农业大学提供的M. oryzae Guy11菌株，而Bacillus subtilis、Acinetobacter属和Priestia属的生物防治细菌则从中国农业微生物资源库（ACCC，北京，中国）购买。Priestia菌株是从中国杭州富阳的水稻瘟病感染田地中分离并保存的

生物防治剂对M. oryzae的抑制作用

先前的研究已经证实Bacillus subtilis、Priestia菌株和Acinetobacter属对水稻瘟病病原体M. oryzae具有拮抗作用。体外实验表明，所有处理方法都显著减少了病斑数量，其中M. oryzae与Priestia菌株联合处理的效果最为显著（见图1A和图S1）。盆栽实验进一步验证了这些结果，B. subtilis处理的感染率为88.24%，

讨论

生物防治细菌通常被视为有益微生物，它们通过快速定殖根际或叶际形成优势微生物群落来促进植物生长并增强抗病性，从而抑制病原微生物[7,23]。Custódio等人报告称，特定的细菌群落可以定殖玉米叶片并促进叶片生长[24]。最初被归类为Bacillus subtilis组的Priestia菌株在2020年被确立为一个独立的属。

CRediT作者贡献声明

Jirong Shi：撰写原始草稿、数据可视化、实验设计、数据分析、概念构建。Mengyao Yan：撰写、审稿与编辑、实验设计。Jiajie Lou：撰写、审稿与编辑、实验设计。Qiuyun Liu：撰写、审稿与编辑、实验设计、数据分析。Hanrong Qiu：撰写、审稿与编辑、实验设计。Xinqing Wu：资源获取、实验设计。Jiahong Dong：资源获取、实验设计。Liwei Sun：撰写、审稿与编辑、资源获取。Yinhua Ni：资源获取，

数据可用性

Priestia菌株的全基因组测序数据（GSA: CRA025443）和转录组原始数据（GSA: CRA029451）已存入中国国家基因组数据中心（Nucleic Acids Res 2022）的基因组序列档案（Genomics, Proteomics & Bioinformatics 2021），公众可通过https://ngdc.cncb.ac.cn/gsa访问。

资助

本工作得到了国家重点研发计划（2022YFD1700401）和国家自然科学基金（42377107和22176176）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。