在不同建立方法和土壤湿度条件下，稻米对 Bipolaris oryzae 的防御相关生化和超微结构反应的调节

《Physiological and Molecular Plant Pathology》：Modulation of defense-related biochemical and ultrastructural responses in rice to Bipolaris oryzae under contrasting establishment methods and soil moisture regimes

水稻棕色斑点病（Bipolaris oryzae）抗性机制研究，分析直接播种（DSR）与 puddled 移栽（PTR）系统在15/25 kPa土壤湿度下，PR 126品种的生化防御（CAT/PAL/PPO/POX活性及酚类/木质素积累）与超微结构响应差异，揭示DSR因水分胁迫增强氧化酶活性但结构防御弱化，PTR在适宜湿度下表型防御更强，证实种植方式与灌溉协同调控抗病性的重要性。

　　

Jasima Ali|Jyoti Jain|Sandeep Jain|Pooja Salaria|Neha Gupta

印度旁遮普邦卢迪亚纳旁遮普农业大学植物病理学系

摘要

由Bipolaris oryzae引起的褐斑病是一种重新出现的病害，严重降低了全球水稻的产量和品质。本研究旨在阐明水稻品种PR 126在不同的作物种植方法和土壤水分条件下对B. oryzae的综合生化和超微结构防御反应。在病原体感染后，分别对直接播种（DSR）和泥浆移栽（PTR）种植的水稻植株在两种灌溉水平（15 kPa和25 kPa的土壤水分张力）下进行了评估。在不同种植方法和灌溉条件下，观察到生化和解剖特征的显著差异。在水分（25 kPa）和病原体双重胁迫下，防御相关酶和抗氧化酶的表达显著增强，其中DSR中的增强作用更为明显。两种胁迫条件下，酚类物质、抗坏血酸、木质素和脯氨酸的积累量均增加，而在25 kPa的DSR中，丙二醛和过氧化氢的水平显著升高，表明氧化应激和脂质过氧化作用加剧。超微结构分析显示，在最佳水分条件下，PTR的表皮和表面结构防御能力更强，而DSR的叶片解剖结构受损，血管组织也发生了改变，这有利于病原体的侵入。这些结果表明，种植方法和灌溉制度对防御反应和解剖完整性有重要影响，强调了将适当的种植措施与优化灌溉计划相结合以提高抗褐斑病能力的重要性。

引言

水稻（Oryza sativa L.）是全球超过一半人口的主要粮食来源，仅印度就从4700万公顷的土地上生产了约1.378亿吨水稻[1]。由Bipolaris oryzae Subr.（= Helminthosporium oryzae；终态菌 = Cochliobolus miyabeanus）引起的褐斑病已成为可持续水稻生产的主要限制因素，尤其是在水分和养分受限的环境中。该病害主要影响水稻的分蘖期到成熟期，导致特征性的坏死病斑，进而引起籽粒变色和严重的产量损失[2, 3]。目前，褐斑病在亚洲和东南亚的主要水稻种植区普遍存在，据报道造成的产量损失高达5-45%[4]。在印度，该病害广泛分布于多个水稻生产州，在严重流行期间可导致高达58.8%的产量损失[5, 6]。历史上，此类爆发与土壤肥力低和不良的作物管理措施有关[7, 8, 9]。为了应对气候变化、地下水枯竭、劳动力短缺和土壤退化，水稻种植系统正在迅速调整。尽管泥浆移栽（PTR）由于其农艺优势长期占据主导地位，但其可持续性正面临越来越大的挑战。直接播种（DSR）作为一种资源效率更高的替代方案，需要较少的水分和劳动力，并具有潜在的气候缓解效益[9]。然而，与PTR相比，DSR系统对褐斑病和稻瘟病的敏感性更高[11, 12]。DSR固有的水分和养分胁迫改变了作物生理和冠层微气候，从而促进了B. oryzae的孢子形成、传播和萌发，加速了病害的发生[13, 14, 15, 16]。水分不足进一步加剧了生理胁迫，破坏了寄主-病原体相互作用，加重了病害的发生和严重程度[17, 18]。面对病原体入侵，水稻植株会激活一系列防御相关的生化途径和结构改变。防御酶如过氧化氢酶（CAT）、苯丙氨酸氨裂解酶（PAL）、多酚氧化酶（PPO）和β-1,3-葡聚糖酶调节活性氧（ROS）、木质化过程和寄主抗性[19, 20]。酚类物质和蛋白质的积累增加与病害发展减缓相关，而丙二醛（MDA）、脯氨酸和过氧化氢（H₂O₂）等胁迫生物标志物与病害严重程度呈正相关[21, 22, 23]。

作物种植方法和灌溉制度对这些生化反应有显著影响。据报道，DSR种植的水稻在病原体感染后酚类物质积累更多，而移栽系统则保持较高的叶绿素含量、可溶性糖和蛋白质水平[24]。DSR固有的干旱胁迫增强了抗氧化活性，特别是过氧化酶的活性，促进了脂质过氧化，并破坏了叶绿素、蛋白质和淀粉的合成[25]。尽管干旱有利于病害发展并激活了胁迫响应的防御途径，但它严重改变了水稻的结构组织，削弱了寄主防御能力，从而促进了病原体的侵入。已有大量研究表明，干旱导致表皮层、维管束结构、保卫细胞、厚壁组织和薄壁组织的改变[26, 27]。同时，B. oryzae感染会引起组织病理学变化，包括表皮微裂纹、细胞间菌丝增殖和导管阻塞，导致组织坏死[22, 28]。尽管已经记录了与Bipolaris oryzae抗性相关的生化反应和超微结构改变，但在不同作物种植方法和灌溉条件下褐斑病的发展以及这些复合胁迫下水稻防御反应的调节机制仍不明确。因此，本研究旨在阐明在直接播种和泥浆移栽系统中，水稻在受到B. oryzae感染并处于不同土壤水分条件（15 kPa和25 kPa）下的生化防御反应和超微结构变化。这项工作为当代水稻生产系统中褐斑病发展的寄主-病原体相互作用提供了机制上的见解。

实验部分

作物种植、Bipolaris oryzae的寄生发展及叶片采样

实验于2023年kharif季节在印度卢迪亚纳旁遮普农业大学（PAU）植物育种与遗传学系的水稻试验田进行（30.8972° N, 75.8006° E）。对于直接播种（DSR），通过激光平整土地并采用最小耕作方式以保持土壤水分和结构。5月的第二周使用kera方法将PR 126水稻品种的种子播种在2-3厘米的深度，行距为20厘米。

DSR和PTR系统中褐斑病的寄生发展

在2022年和2023年的kharif季节，无论是在自然条件还是人工诱导的寄生条件下，DSR种植的作物都表现出比PTR更严重的病害。2022年和2023年的病害严重程度分别为32.43和31.88，而PTR分别为26.18和24.57。在不同灌溉制度下，观察到了明显且一致的模式，即25 kPa的土壤水分张力导致病害严重程度显著增加

讨论

本研究揭示了水稻植株在不同作物种植方法和灌溉制度下如何调节其对Bipolaris oryzae的防御策略。水分可用性和病原体压力之间的相互作用似乎形成了一个动态且协调的防御网络，包括生化、生理和结构成分。研究结果表明，植物在非生物和生物胁迫下的反应不是静态的，而是具有适应性的

结论

本研究表明，在DSR条件下种植的水稻在受到B. oryzae感染后，其生化和超微结构反应发生了显著变化。特别是在DSR条件下，结合水分胁迫和病原体挑战时，植物表现出更高的抗氧化酶（PAL、TAL、PPO、POX和CAT）活性，以及更多防御相关代谢物（酚类、黄酮类、邻二羟基酚类）的积累

作者贡献声明

Pooja Salaria：撰写 – 审稿与编辑、方法学、数据分析。Neha Gupta：数据可视化、验证、监督、软件使用、调查、数据分析。Jyoti Jain：撰写 – 审稿与编辑、数据可视化、验证、监督、资源管理、方法学、调查、资金获取、概念构思。Sandeep Jain：数据验证、监督、资源管理、方法学、调查、概念构思。Jasima Ali：初稿撰写、软件使用、方法学

未引用的参考文献

10.; 42..

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。