全球气候变暖导致植物病原体生态位扩大，对作物危害程度加剧！学术资讯

来源：植物科学最前沿

全球气候变暖是人类共同面对的挑战，在更加频繁、强烈的极端天气下，作物生产受到威胁。作物易受这些变化的影响，随着温度升高，单产下降。在过去的五十年中，干旱经常伴随热浪，极端的高温使全球各国谷物平均产量降低了9-10％，损失预计将继续增加。尽管对以上这些问题的反应各不相同，C3和豆类粮食作物随着温度和二氧化碳水平的升高，其营养价值也会随之会降低，这是气候变化的另一个后果。为应对气候变化，人们甚至不得不对农业活动进行调整。

在过去的七十年中，由于温度升高而出现了新的宜耕地，中国的稻谷生产逐渐向北转移。同样是由于气候变化，美国中西部的玉米农民正在采取新的耕作方式，包括作物多样化，农业集约化甚至放弃玉米种植。病原体和害虫是造成农作物损失的主要原因，估计造成全球主要农作物的平均损失在17.2％至30.0％之间。病害是如何响应气候变暖的呢？主要是病原体生态位的扩大。随着温度的升高，病原生态位向极地迁移，一方面威胁着农作物的产量，虽然也会带来相当大的经济意义，另一方面会引发食品安全问题。例如，实验和模型研究表明，即使在水稻生长期，边际温度的变化也会导致细菌性穗枯病的发生而产生重大负面影响。最可能的气候情景，即未来100年内温度升高2℃，欧洲玉米可能会受到曲霉菌分泌的黄曲霉毒素污染而催生食品健康问题。

作物是植物生物组的一个组成部分，它是一个多方面的系统，包括植物，环境和相关生物群落的相互作用。在植物基因组的背景下，植物同时经历多种胁迫，并且它们对胁迫组合的反应是复杂的并且难以预测。例如，当与热胁迫同时发生时，植物病害可能会加剧或减轻。因此在保护粮食安全面前，我们必须接受气温升高的复杂性，了解植物如何同时应对非生物和生物逆境的正面和负面影响。近日，俄亥俄州立大学植物与病原体互作分子生物学的权威Jan E. Leach教授发表在Current Opinion in Plant Biology杂志的综述文章“High temperature-induced plant disease susceptibility:more than the sum of its parts”，介绍了最近的几项植物与微生物互作的研究，这些研究旨在表述宿主对单一和组合生物和非生物胁迫的反应。

植物，病原体和高温，致命的三重奏。植物与病原体的互作是宿主的免疫反应和病原体逃避它的尝试，植物的免疫反应受环境和时间因素的影响，例如光，昼夜节律和温度。经历不同温度的植物可能具有根本不同的免疫反应。其结果之一可能是在高温下丧失了对病原体的抗性。例如，在预先暴露于热胁迫之后，水稻对真菌病原体稻瘟病菌的抗性受到损害，其中植物表现出加速的组织坏死，更快的病原体增殖和疾病增加。热应激和高CO2使得大麦更容易患白粉病。在拟南芥中，高温会降低免疫受体FLS2的表达，从而抑制对病原体丁香假单胞菌pv的免疫力。在高温胁迫下，番茄植物更容易受到番茄黄叶卷曲病毒的侵害，而病毒感染的番茄对高温的耐受性较差。但在某些情况下，植物通过单一的显性抗性（R）基因赋予了对病原体的抗性，这种抗性在高温下得以维持或增强。例如，在高温下Sr21和Sr13赋予小麦茎锈病抗性，而Sr6，Sr10，Sr15和Sr17，则失去了功能。小麦基因Yr36在高温（25–35℃）下，对成年和幼苗植物的条纹锈病病原体均具有增强的抗性，而在低温下则无抗性（15℃）。许多研究表明，植物在热胁迫期间对病原体的反应在不同的病理系统内和之间都存在差异。但是，进一步的研究可能会发现共同的参与者和重叠的途径，可以作为农业改良的目标。

论文还讲述了转录组研究在深入了解植物对多种胁迫的反应上的应用。每种胁迫类型都诱导独特的转录组谱，但在广泛的非生物和生物胁迫下表达的基因中也存在相当多的重叠，许多研究表明，从单一胁迫产生的转录组数据的元分析可以为开发耐胁迫植物的品种提供策略。但比较植物对不同单一胁迫的反应以预测气候变化对植物的影响受到以下事实的限制：植物对综合胁迫的反应通常不是累加的，并且多种响应复合胁迫的转录组无法从单一胁迫的反应中预测到。例如，在多次胁迫期间，施加胁迫的先后顺序决定了植物的响应。将拟南芥暴露于干旱，咀嚼昆虫和真菌病原体Botrytis cinerea，植株最近受到的胁迫的响应基因主导了转录组响应。同样，在经历干旱和米曲霉感染的水稻中，寄主的响应类似于对最近胁迫的响应。但当宿主首次暴露于非生物胁迫时，病原体防御反应基因均被下调。而首先暴露在高温下，然后再暴露于米曲霉，易感宿主反应类似于对温度胁迫的反应。因此，为了使用转录组研究来表征植物对多种胁迫的反应，研究人员必须仔细考虑胁迫组合的应用和时机。

未来方向毫无疑问，环境温度的升高正在全球范围内对作物生产产生负面影响，而且根据气候模式的预测，平均温度升高的趋势还将继续。作者认为尽管通过转录组分析在理解单一生物或非生物胁迫对植物的影响方面已取得了很大进展，但仍然很少有研究能够测量植物对多种同时胁迫（包括高温等胁迫）的反应的研究。生物和非生物胁迫相结合可以产生独特的表型，但是这些反应会随宿主和/或所施加胁迫的类型或时间而变化。因此，为将来开发具有气候适应力的农作物，需要对植物如何应对多种多样的不同胁迫有更全面，机制上的理解。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369526620300285#!

来源：frontiersin 植物科学最前沿

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