摘要：水稻是我国最重要的粮食作物之一，其产量和抗病性直接关系到国家粮食安全。在植物生长过程中，往往存在着"生长"与"抗病"的矛盾，这一平衡的实现，其核心在于植物对有限资源的精细调控。樱花素（Sakuranetin）作为水稻体内最重要的一类天然抗病物质，对稻瘟病菌具有

水稻是我国最重要的粮食作物之一，其产量和抗病性直接关系到国家粮食安全。在植物生长过程中，往往存在着"生长"与"抗病"的矛盾，这一平衡的实现，其核心在于植物对有限资源的精细调控。樱花素（Sakuranetin）作为水稻体内最重要的一类天然抗病物质，对稻瘟病菌具有高效的抑制作用。然而，水稻在合成樱花素等抗病物质进行自我防御时，需要消耗大量的能量和碳水化合物，这往往会导致其生长变慢、产量降低。这种资源消耗在植物与病原菌的互作中表现得尤为突出。以稻瘟病菌为例，它在侵染时会分泌大量的酶来分解植物自身结构以掠夺碳源，这既消耗了植物的储备，又为病菌的致病提供了能量。因此，为了赢得与病原菌的这场"军备竞赛"，挖掘能够高效利用或响应营养条件来调控植保素合成的关键因子，就成为了一个重要的突破口。

近日，《Plant Biotechnology Journal》杂志在线发表了浙江省农业科学院洪高洁研究团队题为"OsSTK-mediated Sakuranetin Biosynthesis and Carbon Flux Orchestrate Growth and Defense in Rice"的研究论文，完美地解答了这一难题。研究发现，关键转录因子OsSTK扮演了"智能指挥官"的角色，开创了一种"水涨船高"而非"此消彼长"的全新调控模式，彻底打破了传统的"生长-防御权衡"理论，实现了"生长"与"抗病"的双赢。主要研究内容如下：

1. 水稻中蔗糖水平与稻瘟病抗性的正相关性

研究团队通过糖代谢组学分析发现，稻瘟病菌（M. oryzae）侵染后，水稻的总糖含量以及大部分糖类代谢物显著上调，其中蔗糖占比最大，占总糖的90.98%，表明糖类在植物防御中的重要作用。进一步分析27个水稻品种发现，水稻稻瘟病抗性与糖含量呈显著负相关，相关性最强的前三名分别是蔗糖（r=-0.7357,PPPM. oryzae的抗性。与对照组相比，蔗糖含量较高的突变体表现出更强的稻瘟病抗性，而蔗糖水平较低的突变体表现出更高的感病性（图1）。这些结果表明，蔗糖水平的升高直接有助于增强稻瘟病抗性。

图1 蔗糖浓度与稻瘟病抗性正相关

2. 蔗糖诱导的稻瘟病抗性依赖樱花素

樱花素是类黄酮植保素，在水稻体内外具有极强的抑菌活性。研究团队通过转录组分析发现，蔗糖处理诱导樱花素合成关键酶基因OsNOMT的表达。

图2 樱花素参与蔗糖诱导的稻瘟病抗性

RT-qPCR和UPLC/MS结果进一步证明，不同浓度蔗糖和不同处理时间都能诱导

OsNOMT的表达及樱花素的积累。相关性分析显示蔗糖含量与樱花素浓度呈正相关关系，而稻瘟病抗性与樱花素含量也呈正相关。此外，蔗糖处理诱导稻瘟病抗性，但在不能合成樱花素的osnomt突变体中这种诱导效应被显著抑制（图2）。这些结果证实了樱花素在蔗糖介导的稻瘟病防御中的关键作用。

3. OsNOMT 是OsSTK 的直接靶基因

研究团队以OsNOMT启动子为诱饵，筛选到一个参与糖信号转导的转录因子OsSTK。Y1H和Dual-LUC实验证明OsSTK在酵母和烟草中可以结合并激活OsNOMT启动子。TF-Centered Y1H实验鉴定到OsSTK结合的DNA基序（STKRE）：(G/T)TGGC(A/T)(A/T)。EMSA和ChIP-qPCR实验进一步确认OsSTK与STKRE的结合，确立了OsSTK作为OsNOMT的特异性转录调节因子（图3）。

图3 OsNOMT是OsSTK的靶基因

4. OsSTK 介导蔗糖诱导的稻瘟病抗性依赖樱花素

研究团队发现，过表达OsSTK增强蔗糖和稻瘟病诱导的OsNOMT表达及樱花素积累，敲除则抑制这种诱导效果。蔗糖浓度在OsSTK-OE植物中更高，而osstk突变体中则更低。与对照相比，OsSTK-OE的稻瘟病抗性更强，而osstk则相反，表明OsSTK正调控水稻防御M. oryzae侵染。值得注意的是，蔗糖诱导的稻瘟病抗性在osstk突变体中受到抑制，表明蔗糖介导的真菌防御至少部分依赖于OsSTK。此外，外源喷施樱花素恢复了osstk突变体对M. oryzae的抗性，使其达到与野生型相当的水平（图4）。这表明OsSTK介导蔗糖诱导的樱花素积累和稻瘟病抗性，直接将初级碳代谢与专门的抗菌化合物生物合成联系起来。

图4 OsSTK调控蔗糖诱导的樱花素合成和稻瘟病抗性

5. 过表达OsSTK增强水稻株高和产量

有趣的是，除了在抗病方面的作用外，OsSTK对植物生长和产量也有积极作用。主要体现在OsSTK-OE植物具有更长的节间和穗长，更多的结实数以及9.53-14.9%的田间增产。高通量测序分析表明OsTPS8和OsPP2C08可能与OsSTK调控的农艺性状相关。生物信息学分析显示，OsTPS8、OsPP2C08和OsPAL4的启动子中每个都至少有一个STKRE（OsSTK识别元件），表明它们可能受到OsSTK的直接调控。Dual-LUC和ChIP-qPCR实验验证了这一假设。这些发现表明OsSTK通过转录调控OsTPS8、OsPP2C08和OsPAL4的表达来增强糖代谢通量并促进植物生长。

图5 OsSTK调控水稻生长及产量

6. OsSTK-OE 植株中初级与次级代谢的重编程

研究人员发现过表达OsSTK的植物光合作用比对照更强，积累更多的生物量，为水稻生长和抗病提供充足的资源。代谢组分析表明，209种代谢物在OsSTK-OE植株中发生改变。这些物质主要包括氨基酸、核苷酸、脂质等初级代谢物以及黄酮类（樱花素）、萜类（momilactone A和B）和生物碱等防御相关的次级代谢物。这些结果揭示了OsSTK极可能是水稻碳分配的中心调节因子。过表达OsSTK增强水稻的光合作用，促进碳同化和固定，这些固定的碳被战略性地分配到初级和次级代谢中。这种双重分配解释了OsSTK如何同时促进营养生长和谷粒生产，同时增强樱花素介导的病害抗性。通过优化碳资源分配，而不是平衡传统的生长和防御之间的权衡，OsSTK成为开发高产、抗病水稻品种的潜在靶点。

图6 OsSTK调控碳代谢

7. OsSTK³⁴ᴿ⁸¹ᴹ/³⁴ᴴ⁸¹ᴸ影响高蔗糖水稻品种樱花素介导的免疫

进化相关分析表明，OsSTK在水稻驯化和育种过程中经历了亚种特异性的正选择。研究发现OsSTK有五个主要的单倍型，其中包含2个错义突变SNPs：OsSTK³⁴ᴴ⁸¹ᴸ和OsSTK³⁴ᴿ⁸¹ᴹ。在高蔗糖水稻品种中，含有OsSTK³⁴ᴿ⁸¹ᴹ的水稻品种樱花素含量和稻瘟病抗性显著高于含有OsSTK³⁴ᴴ⁸¹ᴸ的水稻品种。RT-qPCR分析显示，OsSTK³⁴ᴿ⁸¹ᴹ和OsSTK³⁴ᴴ⁸¹ᴸ在正常条件和稻瘟病感染下的mRNA表达水平相当。但在稻瘟病感染后，OsSTK³⁴ᴿ⁸¹ᴹ组的OsNOMT上调表达量显著高于OsSTK³⁴ᴴ⁸¹ᴸ组，揭示了这两种SNP的功能差异。Dual-LUC实验表明，OsSTK³⁴ᴿ⁸¹ᴹ能够激活OsNOMT启动子，而OsSTK³⁴ᴴ⁸¹ᴸ没有显示出类似的激活作用。研究人员将这2个SNP转化到osstk-2突变体的水稻原生质体中。与对照相比，SK-OsSTK³⁴ᴿ⁸¹ᴹ中OsNOMT表达增强，而SK-OsSTK³⁴ᴴ⁸¹ᴸ中没有。这些结果表明这两个氨基酸位点决定OsSTK的转录活性及高蔗糖品种抗病性差异的关键。这种分子多态性解释了OsSTK单倍型在水稻种群中的功能差异，并为高蔗糖水稻品种之间不同的病害抗性提供了机制基础。通过识别在驯化过程中自然选择作用的具体调控节点，为培育旨在优化产量潜力和持久病害抗性的优良水稻品种提供了精确的分子靶点。

图7 OsSTK的遗传多样性

综上，OsSTK通过提高植株的光合效率、增强二氧化碳固定能力，从源头上为生长和防御提供了更充足的碳源"弹药"。在此基础上，它能够同时激活促进生长的初级代谢（如调控 OsTPS8和OsPP2C08，增加植株高度和产量）和产生抗病物质的次级代谢（如调控OsNOMT和OsPAL4，合成樱花素和苯丙烷类化合物），彻底打破了传统的"生长-防御权衡"理论，实现了"生长"与"抗病"的双赢（图7K）。这一突破性发现不仅为我们深入理解植物如何平衡生长与防御提供了全新的视角，更提供了一个极具应用价值的分子育种靶点，为培育高产抗病水稻新品种、应对全球粮食安全挑战和气候变化提供了强有力的科技支撑。

浙江省农业科学院生物所洪高洁团队专注于植物—病原互作中营养资源争夺对免疫与生长平衡的调控研究。研究生胡吉涛（现南京农业大学博士生）与骨干李林颖博士为论文共同第一作者，洪高洁与何宇青研究员为论文共同通讯作者。浙江省农科院生物所王华副研究员、作核所王俊敏副研究员、植微所王教瑜研究员、院公共实验室周忠静博士及中国农业科学院易可可研究员共同参与了本研究。项目获国家自然科学基金、浙江省自然科学基金和农产品质量安全全国重点实验室资助。

论文链接：https://doi.org/10.1111/pbi.70358.

来源：事有终始