近日，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院黃俊斌課題組在New Phytologist上在線發(fā)表題為“A secreted fungal effector suppresses rice immunity through host histone hypoacetylation”的研究論文。該研究從表觀遺傳水平揭示了稻曲菌效應(yīng)蛋白操縱水稻組蛋白去乙?；种萍闹?a href='http://www.zbchuanghe.com/tag_4719.html' class='zdbq' title='免疫相關(guān)食品資訊' target='_blank'>免疫的新機(jī)制。

 

　　稻曲病是世界水稻生產(chǎn)中的重要病害之一，廣泛分布于亞洲、美洲、非洲、歐洲的四十多個(gè)水稻種植國(guó)家。在我國(guó)，稻曲病發(fā)生尤為嚴(yán)重，年均發(fā)生面積4500萬畝、減產(chǎn)1.5億公斤以上。稻曲病不僅造成稻米產(chǎn)量損失，更為重要的是稻曲球中產(chǎn)生的毒素對(duì)動(dòng)物細(xì)胞具有毒性和致畸作用，嚴(yán)重威脅糧食安全。培育和利用抗病品種是作物病害防控、維持農(nóng)業(yè)綠色持續(xù)發(fā)展最經(jīng)濟(jì)、有效的手段，但現(xiàn)階段抗稻曲病品種和基因資源嚴(yán)重缺乏，還未發(fā)現(xiàn)可利用的天然抗源。因此，深入解析稻曲菌侵染機(jī)制及其與水稻的互作機(jī)理，可為水稻抗稻曲病品種的分子設(shè)計(jì)改良提供理論依據(jù)和重要資源。

 

　　植物與病原菌互作過程中，植物本身進(jìn)化出一套有效的先天免疫系統(tǒng)來抵御病原菌的侵染，主要包括PTI（PAMP-triggered immunity）和ETI（Effector-triggered immunity）兩個(gè)免疫層次。病原菌為了成功侵染植物會(huì)分泌大量效應(yīng)蛋白來抑制植物的免疫反應(yīng)，發(fā)揮毒性功能。前人研究表明，組蛋白乙酰化是調(diào)節(jié)植物免疫的一種重要表觀遺傳修飾，但病原真菌是否進(jìn)化出直接靶向植物組蛋白乙?；男?yīng)蛋白尚不清楚。

 

　　研究人員首先聯(lián)合分析稻曲菌分泌組和轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)，選取19個(gè)侵染早期上調(diào)表達(dá)的候選分泌蛋白進(jìn)行基因敲除，室內(nèi)接種發(fā)現(xiàn)分泌蛋白UvSec117的基因敲除突變體致病力顯著減弱。通過酵母分泌系統(tǒng)證明其信號(hào)肽具有分泌活性，信號(hào)肽缺失導(dǎo)致突變體致病力降低。進(jìn)一步通過酵母雙雜交庫篩選到互作蛋白水稻組蛋白去乙酰化酶OsHDA701，采用Y2H、Co-IP、GST pull-down以及BiFC證明UvSec117與OsHDA701在細(xì)胞核和細(xì)胞質(zhì)中互作。為明確OsHDA701在水稻中的抗感功能，在水稻中沉默OsHDA701基因，發(fā)現(xiàn)OsHDA701-RNAi 轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)稻曲病、稻瘟病和水稻白葉枯病的抗性增強(qiáng)，說明OsHDA701負(fù)調(diào)控水稻的廣譜抗病性。進(jìn)一步將UvSec117和OsHDA701進(jìn)行共表達(dá)，通過熒光觀察和Western blot證明OsHDA701在細(xì)胞核中含量明顯增加，說明UvSec117可招募更多的OsHDA701蛋白進(jìn)入細(xì)胞核。一系列體內(nèi)、體外生化試驗(yàn)證明OsHDA701主要清除組蛋白H3K9乙?；揎?，而UvSec117增強(qiáng)了OsHDA701的去乙酰化活性。在水稻中異源超表達(dá)UvSec117，35S-UvSec117轉(zhuǎn)基因水稻對(duì)稻曲病、稻瘟病和白葉枯病更為感病，且轉(zhuǎn)基因水稻中H3K9乙?；揎椝斤@著降低，表明UvSec117干擾了水稻H3K9乙酰化修飾。ChIP-seq鑒定發(fā)現(xiàn)35S-UvSec117轉(zhuǎn)基因水稻中H3K9乙?；揎椪{(diào)控的靶基因數(shù)量顯著減少，RT-qPCR和ChIP-PCR證明35S-UvSec117轉(zhuǎn)基因水稻中H3K9乙?；揎椪{(diào)控的抗病相關(guān)基因表達(dá)量顯著降低，說明UvSec117通過影響水稻組蛋白H3K9乙?；揎椄蓴_抗病基因表達(dá)。

 

　　綜上，稻曲菌可分泌一種毒性效應(yīng)蛋白UvSec117進(jìn)入寄主細(xì)胞中，與水稻組蛋白去乙?；窸sHDA701靶向互作，通過UvSec117的核定位信號(hào)將大量的OsHDA701招募到細(xì)胞核，同時(shí)UvSec117與OsHDA701互作過程中可增強(qiáng)OsHDA701去乙?；钚裕瑥膬煞矫娼档退窘M蛋白H3K9乙?；?，進(jìn)而干擾防御基因的激活和寄主免疫。這是第一個(gè)直接證據(jù)證實(shí)植物病原真菌效應(yīng)蛋白靶向寄主組蛋白去乙?；敢种浦参锩庖?；在表觀遺傳水平揭示了稻曲菌乃至植物病原真菌中一種新的致病策略，拓寬了我們對(duì)病原菌抑制寄主免疫途徑的認(rèn)識(shí)。研究中獲得的水稻廣譜抗病性負(fù)調(diào)控因子OsHDA701，對(duì)于水稻抗病育種和分子設(shè)計(jì)改良具有重要的科學(xué)利用價(jià)值。

 

　　植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士生陳曉洋為論文第一作者，鄭露副教授為通訊作者。華中農(nóng)業(yè)大學(xué)黃俊斌教授、羅朝喜教授、謝卡斌教授、李國(guó)田教授、陳小林教授、劉浩副教授、博士生段宇航、碩士生喬富剛以及加拿大圭爾夫大學(xué)Tom Hsiang 教授也參與了該項(xiàng)工作。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、湖北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)自主創(chuàng)新基金高水平論文專項(xiàng)的資助。

 

　　【英文摘要】

 

　　Histone acetylation is a critical epigenetic modification that regulates plant immunity. Fungal pathogens secrete effectors that modulate host immunity and facilitate infection, but whether fungal pathogens have evolved effectors that directly target plant histone acetylation is still unknown.

 

　　Here, we identified a secreted protein, UvSec117, from the rice false smut fungus, Ustilaginoidea virens, as a key effector that can target the rice histone deacetylase OsHDA701 and negatively regulates rice broad-spectrum resistance against rice pathogens. UvSec117 disrupts host immunity by recruiting OsHDA701 to the nucleus and enhancing OsHDA701-modulated deacetylation, thereby reducing histone H3K9 acetylation levels in rice plants and interfering with defense gene activation.

 

　　Host-induced gene silencing （HIGS） of UvSec117 promotes rice resistance to U. virens, thus providing an alternative way for developing rice false smut-resistant plants.

 

　　This is the first direct evidence demonstrating that a fungal effector targets a histone deacetylase to suppress plant immunity. Our data provided insight into counter-defense mechanism in a plant pathogen that inactivates host defense responses at the epigenetic level.

 

　　論文鏈接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.18265