稻瘟病菌

稻热病是最严重的水稻病害。稻热病菌透过分生孢子散播，其分生孢子在植株上萌发后，可形成特化的构造附着器以穿透植物组织，菌丝可经原生质丝在组织间生长蔓延，并再度产生分生孢子，在空气中以气流传播。子囊菌真菌稻热病菌被称为引起稻瘟病的半营养型病原体。稻热病菌感染水稻的叶子、茎和穗，并导致产量严重下降。为了建立对这种疾病的新的控制方法和开发抗性水稻品种，研究稻热病菌与水稻之间基因间和蛋白质间相互作用的细节。本文中，我们将介绍一个使用CFI Apo Lambda S 40XC 水镜拍摄稻热病菌微分干涉成像（DIC）和共聚焦扫描成像的应用实例，东京农业大学Hiromasa Saitoh 教授研究使用植物病原真菌中差异基因表达鉴定新病原基因。实验概述通过对接种水稻子叶的稻瘟病菌分生孢子悬液的进行 RNA-Seq 分析，发现假设的多个效应蛋白基因表达增加，并在接种12 至 24 小时后 (hours post-inoculation , hpi) 达到峰值（随着渗透和扩散逐渐增长），但在36 或 48 hpi 出现下调。在这些效应蛋白基因中，研究人员选择了7 个高表达基因，并制备了相应的稻瘟病菌干扰突变体。其中一个基因突变的菌株表现出低的致病性，该基因被命名为 MoSVP。为了调查MoSVP 在真菌中表达的时间和位点，稻瘟病菌转染报告质粒（MoSVP::mCherry）,在该质粒中mCherry (红色荧光蛋白) 的基因被插入到MoSVP启动子的下游。作为实验对照组，另一个报告质粒（Rp27p::mCherry），插入在稻瘟病菌核糖体蛋白27基因的下游。每一个转化株的孢子悬浊液在盖玻片上孵育或接种在水稻叶鞘内测的上皮，使用DIC 和共聚焦扫描显微镜对感染相关的形态和mCherry荧光的表达进行观察。Figure1. 水稻叶鞘接种和样本准备。Figure2. 表达有MoSVPp::mCherry的水稻瘟病菌的mCherry（红色）和DIC。分生孢子在胚管顶端萌发并发育出附着胞，然后渗透到宿主细胞中并形成侵入性菌丝。通过使用CFI Apo Lambda S 40XC 水镜进行DIC 和荧光观察，发现mCherry 荧光蛋白在玻片孵育18小时后可开始表达，同时接种在水稻叶鞘细胞上的菌丝在接种24小时后可以被观察到。Figure3. 在MoSVPp::mCherry突变菌株中， mCherry荧光的表达在18或24 hpi后在附着胞有明显的增强，然后表达下降。在Rp27p::mCherry 转化菌株中，mCherry荧光的在观察的时间点内表达量稳定。另外， mCherry 荧光在附着胞、分生孢子和胚芽管（12,18,24 hpi）和入侵的菌丝内（30 hpi）内均表达明显. 因此，该文揭示MoSVP 启动子在稻瘟病菌早期渗透到宿主细胞时被激活，表达在附着胞内。实验小结本文制备了一个由 MoSVP 启动子控制的表达mCherry 的稻瘟病菌株，并使用CFI Apo Lambda S 40XC 水镜对其感染相关的形态学进行DIC 和共聚焦观察。 结果证实，MoSVP 表达在稻瘟病菌感染后的早期阶段的附着胞内。这些结果显示，结合高精度的物镜和共聚焦扫描系统可以清晰的对植物致病真菌的荧光信号的定位和表达时间窗进行可视化。参考文献RNA-Seq of in planta-expressed Magnaporthe oryzae genes identifies MoSVP as a highly expressed gene required for pathogenicity at the initial stage of infection. Molecular Plant Pathology (2019) 20 (12), 1682-1695.

水稻作为一种常见的粮食作物，在中国有着悠久的种植历史，种植地在南北方皆有分布。为了在有限的耕地上养活日益增长的人口，科学家们一直在不断探索，减少病害，提高稻米产量。稻瘟病被称为“水稻癌症”，广泛分布于世界各稻区，而且有可能发病于水稻的各生育期，是一种毁灭性的真菌病害，全球每年因稻瘟病造成的产量损失达数千万吨，威胁着全球的粮食安全。江苏省农业生产条件得天独厚,素有“鱼米之乡”的美誉，作为我国水稻种植大省，早在古代就流传着“苏湖熟，天下足”的谚语，现如今也是我国南方最大的粳稻生产省份。来自南京农业大学的一组研究团队，在2018-2021年在江苏省对稻瘟病的检测展开了相关研究。稻瘟病（RB，由稻瘟病原菌引起）是全球水稻生产中最具破坏性的疾病，其可造成重大产量损失，并日益威胁着全球粮食安全，且这一问题在2公顷的亚洲小农系统中更加严重。据统计，稻瘟病侵染每年引起的水稻产量损失能够养活全球6000万人。因此，用通用指标准确检测稻瘟病的发生对于早期病害预防和蔓延控制至关重要，但迄今尚未得到解决，且改善这种病害的早期预警在大多数亚洲小农户田块的可行性和准确性仍未得到充分实现。现有的检测RB发生的方法主要依赖于经验丰富的专业人员的目视检查，这需要较高的时间和劳动成本。最近，已证明反射光谱在揭示多空间尺度上由病原体侵染引起的复杂生理和光谱变化方面，以及在早期阶段检测症状方面具有巨大潜力，然而，是否可以开发一种多空间尺度上RB检测的通用方法仍然知之甚少，利用卫星图像揭示小农户田块稻瘟病扩散潜在热点的研究报道有限。且现存的病害检测模型大多忽略了空间相关性，在表征病原体侵染的时间动态方面缺少合理性。基于此，在本研究中，来自南京农业大学的一组研究团队在2018-2021年以中国东部的江苏省3个地点（以水稻和冬小麦轮作种植为特征的农业平原地区）为例，进行了7个实验，开展室内接种侵染试验、田间自然侵染试验、及实地调查测量，使用ASD FieldSpec 4 Hi-Res光谱仪测量感染及健康样品叶片和冠层的光谱反射率。基于实测的高光谱数据和哨兵-2图像数据，结合线性判别分析（LDA）、简单线性回归及热点分析，确定两年（2018年和2019年）中单波段对健康和感染叶片的可分性、构建稻瘟病敏感植被指数（RIBI）、建立回归模型以评估RIBI在不同尺度对稻瘟病发生的识别精度和对病情指数（DI）的估算能力、及进行RB的时空动态监测。研究区和采样位置；彩色方块表示采样点的位置；彩色圆点表示现场采样点本研究方法流程图水稻叶片(A)和冠层(B)反射率对病原菌侵染的响应。(A)表示接种后不同天数收集的健康叶片和RB感染叶片的平均反射率（DAIs），(B)在400-2400nm范围内显示水稻近冠层反射率【结果】 在近地冠层尺度上RIBI（A：RIBInir，B：RIBIred）与DI之间的关系散点图 (A) 基于哨兵-2A数据的健康水稻和具有不同病害指数（DI）的感染植株的冠层光谱特征。(B)DI与RIBInir（来自哨兵-2A的664.6 nm、782.8 nm和1614 nm波段）的关系散点图。2020年不同天数（DOY）受侵染（橙色）和健康（绿色）水稻植株之间的RIBInir（a，c）和NDVI（b，d）的雨云图，位于两个地点（第一行：Tangcao，第二行：Taiping）。基于哨兵-2A卫星图像检测到的小农户田块潜在的RB扩散趋势的热点图【结论】本研究构建了两种RIBI，即RIBInir =（R753-R1102）/（R665+R1102）和RIBIred =（R753-R1102）/（R665+R1102），用于健康和受感染叶片的分类和疾病指数的冠层尺度量化。叶片尺度测量结果表明，在2018年、2019年及2020年田间条件下，RIBInir和RIBIred在温室条件下对感染和健康样本分类的总体准确性较高(2018：RIBInir: 81.41% RIBIred:84.62%，2019：RIBInir:81.30% RIBIred:90.37%，2020：RIBInir:86.36% RIBIred:89.39%)。RIBIred对两年内RB发生和RB感染发作的检测具有较高的敏感性和特异性。此外，在多尺度评估了DI-RIBInir关系。与传统的VIs（近地：R20.47，卫星：R20.54）相比，所提出的RIBInir与地面光谱（R2=0.73）和哨兵-2A图像（R2=0.78）的DI的相关性更显著，更强的DI-RIBInir关系归因于使用了两个近红外（NIR）波段，这有助于增强由病原体侵染诱导的NIR区域的独特光谱响应，与广泛研究的可见区域相反。多时间分析结果表明，卫星衍生的RIBInir（R2=0.78）与DI的相关性始终强于传统VIs（R20.54），并成功捕获RB侵染和恢复的时间动态。另外，RIBInir和热点分析的结合成功地捕捉到了小农户田块潜在的稻瘟病扩散的田内热点。总之，本研究扩展了叶片对RB的光谱响应，为星载探测RB的发生提供了有希望的结果。且这些结果支持使用RIBInir和公开可获得的卫星图像来跟踪区域病原体侵染情况，并促进亚洲小农农场关于病害控制和干预的决策，为量化野外病害发生和检测潜在热点提供新的机遇。

与病原菌“斗智斗勇” 我国科学家最新发现水稻“聪明的生存之道”2021-10-01 16:57:21 来源： 新华网　　新华社上海10月1日电（记者张建松）水稻是我国重要的粮食作物，有效控制水稻病虫害是保障我国粮食高产稳产的一个关键，但抗病性强的水稻品种往往生长发育受到限制，难以高产。　　为了既能有效控制水稻病虫害、又能保障高产稳产，中国科学院分子植物科学卓越创新中心何祖华研究团队经过15年不懈追踪，最新发现水稻与病原菌“斗智斗勇”的聪明生存之道。这一重要发现为设计新的抗病基因、开发高产抗病水稻提供了新的思路。9月30日，国际权威学术期刊《细胞》在线发表了相关论文。　　据何祖华研究员介绍，这一研究最新发现水稻的“钙离子感应子ROD1”，是一个新的植物免疫抑制中枢。当没有病原菌侵染时，ROD1可将水稻的基础免疫维持在较低水平，以有利于水稻生长，提高产量。但当遭遇病原菌侵染时，水稻就进化出免疫激发新途径：通过降解ROD1，减弱其功能，从而保证植物在抵御病原菌时，产生有效的防卫反应，不至于迅速发病枯死，并能繁殖后代。　　研究还发现，病原菌和水稻长期处于“斗智斗勇”的协调进化过程中。稻瘟病菌是一个高明的“伪装者”，能进化出模拟ROD1结构的毒性蛋白，在植物体内“盗用”ROD1的免疫抑制途径，达到侵染水稻的目的。而水稻由于无法逃避病原菌的侵染，进化出“带菌共存”的策略：通过适当减弱抗病能力，来保证自己继续生长繁殖，将抗病性与繁殖力维持在相对平衡的水平。　　目前，何祖华研究团队正进一步挖掘ROD1的育种应用价值。他们通过对3000多种不同水稻品种的基因序列分析，发现ROD1单个氨基酸的改变，可以影响其抗性和地理分布，地理不同，抗病性也不一样。此外，还发现ROD1的功能在禾谷类作物中是保守的，从而提出通过编辑或操纵这类新的感病基因，可以实现广谱抗病的新策略。　　业内专家认为，这一最新研究不仅为设计新的抗病基因、开发高产抗病作物品种提供了新的研发思路，也拓宽了人们对于作物抗病性基础理论的认知，对促进我国“绿色育种”等农业科学发展、提升国际前沿研究水平具有重要的意义。