稻瘟病是全球水稻生产的主要威胁，其病原菌适应性强，变异迅速，给防控工作带来巨大挑战。鉴于多倍化通常能增强植物对逆境的适应性，深入研究多倍体水稻抵抗稻瘟病菌侵染的机制，对于培育抗病水稻品种具有重要意义。
近日，吉林农业大学马建团队在Plant Physiology发表了题为“Altered Reactive Oxygen Species Scavenging and Hormonal Signaling in Tetraploid Rice Are Associated with Blast Resistance”的研究论文。该研究发现，同源四倍体水稻可能通过协调活性氧 (ROS) 以及植物激素的合成与降解、增强磷酸化通路、更早的激活MAPK信号级联通路等以增强自身对稻瘟病菌的抵御能力。
通过比较二倍体水稻 (GFD-2X) 和其对应的四倍体水稻 (GFD-4X)，四倍体表现出更强的抗病性，感染后病症明显减轻，侵染率降低，同时能够维持较高的生物量。与二倍体水稻相比，四倍体水稻在接种后36 小时表现出显著更高的过氧化氢 (H₂O₂) 水平，72 小时H₂O₂ 水平急剧下降。四倍体中丙二醛 (MDA) 、氧化型谷胱甘肽 (GSSG) 、谷胱甘肽还原酶 (GR) 、L-苯丙氨酸解氨酶 (PAL) 、抗坏血酸 (ASA) 和抗坏血酸过氧化物酶 (APX) 等氧化应激标记物的显著升高，表明四倍体水稻中存在高效的活性氧清除系统。四倍体与二倍体相比激素水平也发生变化，其中茉莉酸 (JA)、N6-异戊烯腺嘌呤 (IP)、异戊烯腺苷 (IPA)、二氢玉米素 (dh-Z)、褪黑素 (MT) 和赤霉素A4 (GA4) 水平显著降低。相反，吲哚-3-乙酸 (IAA) 和反式玉米素核苷 (TZR) 显著增加。转录组的分析结果表明，差异表达的上调基因参与磷酸化、H₂O₂ 分解代谢过程和防御反应等通路，而下调基因则集中在胁迫反应。其中调节蛋白丝氨酸/苏氨酸磷酸酶活性的通路在感染后增强，而MAPK级联通路则下调。接种后，四倍体上调了ROS合成相关基因而下调了ROS清除相关基因，这可能是四倍体中ROS和MDA积累更快的原因，表明存在更强的 ROS 介导的防御机制。四倍体中调控 ROS 稳态的关键酶，如 NADPH 氧化酶和超氧化物歧化酶也比其二倍体显著上调，突出了该防御途径在增强稻瘟病抗性中的战略重要性。植物激素信号通路相关基因，包括茉莉酸、乙烯和赤霉素的信号通路基因，也显示出显著变化。四倍体中许多病程相关基因 (如OsPR1b 和 OsPR10a) 也显著上调，进一步证实了四倍体存在较强的防御能力。
总之，研究结果表明四倍体水稻在稻瘟病菌侵染时表现出更动态、更早的信号通路，这可能有助于增强其抗稻瘟病的能力。
吉林农业大学马建教授和张春影老师为本文通讯作者，王宁宁教授和硕士研究生王晨曦、刘柯言为论文共同第一作者。吉林农业大学孙文献教授团队对研究进行给予了帮助。本研究得到吉林省科技研究基金 (20240601071RC, 20230202011NC, 20220101320JC, JJKH20240438KJ) 的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1093/plphys/kiae547
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