近日，华中农业大学植物科学技术学院黄俊斌课题组在New Phytologist上在线发表题为“A secreted fungal effector suppresses rice immunity through host histone hypoacetylation”的研究论文。该研究从表观遗传水平揭示了稻曲菌效应蛋白操纵水稻组蛋白去乙酰化抑制寄主免疫的新机制。
稻曲病是世界水稻生产中的重要病害之一，广泛分布于亚洲、美洲、非洲、欧洲的四十多个水稻种植国家。在我国，稻曲病发生尤为严重，年均发生面积4500万亩、减产1.5亿公斤以上。稻曲病不仅造成稻米产量损失，更为重要的是稻曲球中产生的毒素对动物细胞具有毒性和致畸作用，严重威胁粮食安全。培育和利用抗病品种是作物病害防控、维持农业绿色持续发展最经济、有效的手段，但现阶段抗稻曲病品种和基因资源严重缺乏，还未发现可利用的天然抗源。因此，深入解析稻曲菌侵染机制及其与水稻的互作机理，可为水稻抗稻曲病品种的分子设计改良提供理论依据和重要资源。
植物与病原菌互作过程中，植物本身进化出一套有效的先天免疫系统来抵御病原菌的侵染，主要包括PTI（PAMP-triggered immunity）和ETI（Effector-triggered immunity）两个免疫层次。病原菌为了成功侵染植物会分泌大量效应蛋白来抑制植物的免疫反应，发挥毒性功能。前人研究表明，组蛋白乙酰化是调节植物免疫的一种重要表观遗传修饰，但病原真菌是否进化出直接靶向植物组蛋白乙酰化的效应蛋白尚不清楚。
研究人员首先联合分析稻曲菌分泌组和转录组数据，选取19个侵染早期上调表达的候选分泌蛋白进行基因敲除，室内接种发现分泌蛋白UvSec117的基因敲除突变体致病力显著减弱。通过酵母分泌系统证明其信号肽具有分泌活性，信号肽缺失导致突变体致病力降低。进一步通过酵母双杂交库筛选到互作蛋白水稻组蛋白去乙酰化酶OsHDA701，采用Y2H、Co-IP、GST pull-down以及BiFC证明UvSec117与OsHDA701在细胞核和细胞质中互作。为明确OsHDA701在水稻中的抗感功能，在水稻中沉默OsHDA701基因，发现OsHDA701-RNAi 转基因水稻对稻曲病、稻瘟病和水稻白叶枯病的抗性增强，说明OsHDA701负调控水稻的广谱抗病性。进一步将UvSec117和OsHDA701进行共表达，通过荧光观察和Western blot证明OsHDA701在细胞核中含量明显增加，说明UvSec117可招募更多的OsHDA701蛋白进入细胞核。一系列体内、体外生化试验证明OsHDA701主要清除组蛋白H3K9乙酰化修饰，而UvSec117增强了OsHDA701的去乙酰化活性。在水稻中异源超表达UvSec117，35S-UvSec117转基因水稻对稻曲病、稻瘟病和白叶枯病更为感病，且转基因水稻中H3K9乙酰化修饰水平显著降低，表明UvSec117干扰了水稻H3K9乙酰化修饰。ChIP-seq鉴定发现35S-UvSec117转基因水稻中H3K9乙酰化修饰调控的靶基因数量显著减少，RT-qPCR和ChIP-PCR证明35S-UvSec117转基因水稻中H3K9乙酰化修饰调控的抗病相关基因表达量显著降低，说明UvSec117通过影响水稻组蛋白H3K9乙酰化修饰干扰抗病基因表达。
综上，稻曲菌可分泌一种毒性效应蛋白UvSec117进入寄主细胞中，与水稻组蛋白去乙酰化酶OsHDA701靶向互作，通过UvSec117的核定位信号将大量的OsHDA701招募到细胞核，同时UvSec117与OsHDA701互作过程中可增强OsHDA701去乙酰化活性，从两方面降低水稻组蛋白H3K9乙酰化水平，进而干扰防御基因的激活和寄主免疫。这是第一个直接证据证实植物病原真菌效应蛋白靶向寄主组蛋白去乙酰化酶抑制植物免疫；在表观遗传水平揭示了稻曲菌乃至植物病原真菌中一种新的致病策略，拓宽了我们对病原菌抑制寄主免疫途径的认识。研究中获得的水稻广谱抗病性负调控因子OsHDA701，对于水稻抗病育种和分子设计改良具有重要的科学利用价值。
植物科学技术学院博士生陈晓洋为论文第一作者，郑露副教授为通讯作者。华中农业大学黄俊斌教授、罗朝喜教授、谢卡斌教授、李国田教授、陈小林教授、刘浩副教授、博士生段宇航、硕士生乔富刚以及加拿大圭尔夫大学Tom Hsiang 教授也参与了该项工作。该研究得到国家自然科学基金、湖北省重点研发计划重点项目、华中农业大学自主创新基金高水平论文专项的资助。
【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.
论文链接：https://nph.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1111/nph.18265
