外源褪黑素通过上调TaRAR1增强小麦Lr10介导的抗叶锈病能力及其与SA信号通路和抗氧化防御系统的协同机制

为解决小麦叶锈病抗性基因易被病原菌毒性小种突破的问题，河北农业大学植物保护学院研究人员开展褪黑素(MEL)调控Lr10介导抗性的分子机制研究。研究发现100 μM外源MEL通过上调TaRAR1基因表达，激活水杨酸(SA)信号通路（TaPR1/2/5）、MAPK级联反应（TaMKK2-TaMPK3/6）和WRKY转录因子，同时增强抗氧化酶（TaCAT/TaSOD/TaAPX）活性，显著提高小麦对Puccinia triticina的抗性。该研究为利用植物激素协同抗病基因的可持续病害防控策略提供新思路。

　　

小麦作为全球重要粮食作物，长期遭受由专性寄生真菌Puccinia triticina引起的叶锈病威胁，可导致高达50%的产量损失。虽然目前已鉴定出100多个抗叶锈病基因(Lr)，但病原菌毒性小种的快速进化常使主效抗病基因（如Lr10）在投入使用3-5年后丧失抗性。传统化学防治面临环境压力和病原菌抗药性问题，而植物免疫调节剂与抗病基因的协同作用机制尚不明确，这成为实现小麦病害绿色防控的关键科学瓶颈。

河北农业大学植物保护学院/河北省植物病虫害生物防治技术创新中心的研究团队在《Plant Stress》发表重要研究成果，揭示褪黑素(MEL)这一多功能信号分子可通过调控TaRAR1基因增强Lr10介导的抗锈性。研究采用外源激素处理、病毒诱导基因沉默(VIGS)、qRT-PCR、抗氧化酶活性测定等技术手段，系统解析了MEL-TaRAR1-SA-抗氧化防御系统的协同作用网络。

主要技术方法包括：1) 用100 μM MEL和5 mM SA处理TcLr10近等基因系；2) 构建BSMV:TaRAR1沉默载体通过本氏烟进行VIGS；3) 测定SA、MEL和H₂O₂含量；4) 分析TaPRs、MAPK、WRKY等防御基因表达；5) 检测TaCAT/TaSOD等6种抗氧化酶活性。

研究结果显示：
3.1 外源MEL和SA显著诱导TaRAR1表达，在接种后24 h达峰值，表明其参与早期防御响应。
3.2 不亲和互作中TaRAR1表达量较亲和互作高5.32倍，伴随SA和MEL含量升高，证实TaRAR1正调控抗性。
3.4 MEL处理使SA下游基因TaPR1/2/5表达量提升3-8倍，苯丙氨酸解氨酶(PAL)活性在72 hpi增强，激活SA信号通路。
3.5-3.6 MEL上调TaCAT/TaAPX等6种抗氧化酶基因表达及其活性，其中TaPOD活性在24 hpi增加2.5倍，维持ROS稳态。
3.7 MEL诱导TaMKK2-TaMPK3/6级联反应，可能通过磷酸化WRKY转录因子传递防御信号。
3.8 TaWRKY53和LRR受体激酶TaXa21表达显著增强，提示MEL同时强化模式触发免疫(PTI)和效应触发免疫(ETI)。
3.9-3.10 TaRAR1沉默导致感病性增强，SA和MEL含量分别降低42%和35%，证实TaRAR1是Lr10抗性必需组分。
3.11 TaRAR1沉默使TaSGT1/TaHSP90表达下降，破坏NLR蛋白稳定性。
3.12 TaRAR1通过调节TaCAT表达影响H₂O₂积累，调控超敏反应(HR)。

研究结论揭示：MEL通过"三重调控"机制增强抗性——上游激活TaRAR1-SGT1-HSP90分子伴侣复合体稳定Lr10蛋白；中游协同SA信号放大防御基因表达；下游增强抗氧化系统维持ROS平衡。该研究首次阐明MEL与主效抗病基因的协同机制，为设计"激素-基因"协同的持久抗病策略提供理论依据，对小麦及其他作物病害绿色防控具有重要应用价值。未来研究可探索MEL田间施用方案及在其它R基因体系中的普适性。