【Mol Plant 】 浙江农科院洪高洁组揭示水稻生长-抗性权衡新机制

2023 年 12 月 7 日，浙江省农业科学院 洪高洁 课题组在 Molecular Plant 在线发表了题为 "The OsBZR1-OsSPX1/2 Module Fine-tunes the Growth-Immunity Trade-off in Adaptation to Phosphate Availability in Rice"的研究论文。该论文揭示磷信号途径抑制因子 OsSPX1/2 感知环境磷 (Pi) 浓度，调控生长促进型激素油菜素内酯 (BR) 和防御型激素茉莉酸 (JA) 信号，影响樱花素的合成，平衡水稻生长和抗性的分子机制。

近年来，全球环境变化加剧，如气温攀升、土壤营养流失、病虫害频发等，严重影响作物产量，传统选育作物品种资源的方式面临前所未有的挑战。研究发现许多次生代谢产物兼备抗逆和保健功能，符合“绿色农业”的可持续发展理念，已引起广泛的研究和关注。樱花素 (sakuranetin) 是水稻 16 种主要防御型次生代谢物中唯一的类黄酮物质，在水稻抵御稻瘟病菌侵染和褐飞虱取食过程中发挥重要作用。目前，水稻中樱花素的合成途径已经解析，但有关其分子调控和转录因子的研究才刚刚起步。

被认为是植物生长—抗性平衡的关键调节因子，然而其调控机制亟待深入解析。作物利用有限的资源，合成次生代谢物，这一调控过程正是研究作物生长与抗性平衡的重要突破口。研究人员发现 BL 激素处理和过表达BR途径关键转录因子 OsBZR1 可以诱导樱花素积累，增强水稻对稻瘟病的抗性 (图1)。进一步发现 OsBZR1 能识别和结合樱花素合成关键酶基因 OsNOMT 的启动子，直接调控樱花素的生物合成。研究结果建立了生长促进型激素与抗性物质合成的直接关系，指出在正常条件下，BR 信号使水稻保证生长的同时具备对稻瘟病的基础抗性。

图 1 OsBZR1 转录调控 BR 诱导的樱花素合成及稻瘟病抗性

Pi 是植物维持植物生长和陆地生态系统完整性的重要营养元素，当土壤中 Pi 缺乏时，作物需要更加有效地分配资源，平衡生长与抗性。在水稻 Pi 信号转导和 Pi 稳态维持过程中，核心转录因子 OsPHR2 与负调控因子 OsSPX1/2 蛋白发挥重要作用。由于 OsPHR2-OsSPX1/2 的结合依赖于细胞 Pi 浓度，在缺 Pi 时，OsSPX1/2 释放 OsPHR2，激活 Pi 饥饿响应基因。值得注意的是，研究人员发现，即使在 Pi 缺乏时，OsSPX1/2 也能结合并抑制 OsBZR1 活性 (图2)。

图 2 OsSPX1/2-OsBZR1 互作抑制 OsBZR1 的转录激活功能

结论与讨论

研究团队前期发现 Pi 饥饿及 OsPHR2 可以激活 JA 信号，提高水稻抗性。结合该研究结果，作者提出了 OsBZR1-OsSPX1/2 模块响应 Pi 信号调控生长—抗性平衡的模型 (图3) 。当 Pi 充足时，OsSPX1/2 倾向于与 OsPHR2 结合，与 OsBZR1 的结合削弱，JA 信号抑制，OsBZR1 激活，调控BR响应基因和樱花素合成，促进水稻生长并维持基础抗性。当 Pi 匮乏时，OsSPX1/2 与 OsPHR2 结合削弱，JA 信号激活，促进樱花素合成，大大提高水稻低磷时的抗病性；同时，更多的 OsSPX1/2 结合 OsBZR1，影响 BR 应答基因，抑制植物生长。该研究结果揭示了 OsBZR1-SPX1/2 模块应答 Pi 浓度，精细调控 BR 和 JA 信号，平衡作物生长-抗性权衡的分子机制，也为水稻抗病精准育种提供新策略。

图 3 OsBZR1-OsSPX1/2 模块响应磷信号调控生长-抗性平衡模型

浙江省农业科学院 何宇青 博士为论文第一作者，植物次生代谢研究室主任 洪高洁 研究员为通讯作者。浙江省农业科学院 王教瑜 研究员、王华 副研究员、王岚岚 副研究员，院公共实验室 周忠静 博士及团队其他科研人员参与了本研究。本研究工作获得浙江省自然科学基金杰出青年项目、国家自然科学基金、省部共建农产品质量安全危害因子与风险防控国家重点实验室、浙江省农科院青年英才计划和精准人才项目的资助。

来源：作物科学联盟

转自：“iPlants”微信公众号

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