近日，華中農業大學植物科學技術學院黃俊斌課題組在New Phytologist上線上發表題為“A secreted fungal effector suppresses rice immunity through host histone hypoacetylation”的研究論文。該研究從錶觀遺傳水准揭示了稻麴菌效應蛋白操縱水稻組蛋白去乙醯化抑制寄主免疫的新機制。
稻曲病是世界水稻生產中的重要病害之一，廣泛分佈於亞洲、美洲、非洲、歐洲的四十多個水稻種植國家。在我國，稻曲病發生尤為嚴重，年均發生面積4500萬畝、減產1.5億公斤以上。稻曲病不僅造成稻米產量損失，更為重要的是稻曲球中產生的毒素對動物細胞具有毒性和致畸作用，嚴重威脅糧食安全。培育和利用抗病品種是作物病害防控、維持農業綠色持續發展最經濟、有效的手段，但現階段抗稻曲病品種和基因資源嚴重缺乏，還未發現可利用的天然抗源。囙此，深入解析稻麴菌侵染機制及其與水稻的互作機理，可為水稻抗稻曲病品種的分子設計改良提供理論依據和重要資源。
植物與病原菌互作過程中，植物本身進化出一套有效的先天免疫系統來抵禦病原菌的侵染，主要包括PTI（PAMP-triggered immunity）和ETI（Effector-triggered immunity）兩個免疫層次。病原菌為了成功侵染植物會分泌大量效應蛋白來抑制植物的免疫反應，發揮毒性功能。前人研究表明，組蛋白乙醯化是調節植物免疫的一種重要錶觀遺傳修飾，但病原真菌是否進化出直接靶向植物組蛋白乙醯化的效應蛋白尚不清楚。
圖1稻麴菌效應蛋白UvSec117操縱水稻組蛋白去乙醯化酶OsHDA701抑制水稻免疫
研究人員首先聯合分析稻麴菌分泌組和轉錄組數據，選取19個侵染早期上調表達的候選分泌蛋白進行基因敲除，室內接種發現分泌蛋白UvSec117的基因敲除突變體致病力顯著减弱。通過酵母分泌系統證明其信號肽具有分泌活性，信號肽缺失導致突變體致病力降低。進一步通過酵母雙雜交庫篩選到互作蛋白水稻組蛋白去乙醯化酶OsHDA701，採用Y2H、Co-IP、GST pull-down以及BiFC證明UvSec117與OsHDA701在細胞核和細胞質中互作。為明確OsHDA701在水稻中的抗感功能，在水稻中沉默OsHDA701基因，發現OsHDA701-RNAi轉基因水稻對稻曲病、稻瘟病和水稻白葉枯病的抗性增强，說明OsHDA701負調控水稻的廣譜抗病性。進一步將UvSec117和OsHDA701進行共表達，通過螢光觀察和Western blot證明OsHDA701在細胞核中含量明顯增加，說明UvSec117可招募更多的OsHDA701蛋白進入細胞核。一系列體內、體外生化試驗證明OsHDA701主要清除組蛋白H3K9乙醯化修飾，而UvSec117增强了OsHDA701的去乙醯化活性。在水稻中异源超表達UvSec117，35S-UvSec117轉基因水稻對稻曲病、稻瘟病和白葉枯病更為感病，且轉基因水稻中H3K9乙醯化修飾水准顯著降低，表明UvSec117干擾了水稻H3K9乙醯化修飾。ChIP-seq鑒定發現35S-UvSec117轉基因水稻中H3K9乙醯化修飾調控的靶基因數量顯著减少，RT-qPCR和ChIP-PCR證明35S-UvSec117轉基因水稻中H3K9乙醯化修飾調控的抗病相關基因表達量顯著降低，說明UvSec117通過影響水稻組蛋白H3K9乙醯化修飾干擾抗病基因表達。
圖2稻麴菌效應蛋白UvSec117的致病分子模型
綜上，稻麴菌可分泌一種毒性效應蛋白UvSec117進入寄主細胞中，與水稻組蛋白去乙醯化酶OsHDA701靶向互作，通過UvSec117的核定位元信號將大量的OsHDA701招募到細胞核，同時UvSec117與OsHDA701互作過程中可增强OsHDA701去乙醯化活性，從兩方面降低水稻組蛋白H3K9乙醯化水准，進而干擾防禦基因的啟動和寄主免疫。這是第一個直接證據證實植物病原真菌效應蛋白靶向寄主組蛋白去乙醯化酶抑制植物免疫；在錶觀遺傳水准揭示了稻麴菌乃至植物病原真菌中一種新的致病策略，拓寬了我們對病原菌抑制寄主免疫途徑的認識。研究中獲得的水稻廣譜抗病性負調控因數OsHDA701，對於水稻抗病育種和分子設計改良具有重要的科學利用價值。
植物科學技術學院博士生陳曉洋為論文第一作者，鄭露副教授為通訊作者。我校黃俊斌教授、羅朝喜教授、謝卡斌教授、李國田教授、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Tom Hsiang教授也參與了該項工作。該研究得到國家自然科學基金、湖北省重點研發計畫重點專案、華中農業大學自主創新基金高水准論文專項的資助。
稽核人：鄭露
【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.
論文連結：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.18265