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稻瘟菌两个细胞核效应因子调控宿主免疫力的分子机制
发布时间:2020-11-18 15:33:10

2020年11月17日,韩国首尔大学Yong-Hwan Lee研究组在著名学术期刊Nature Communications上发表题为“Two nuclear effectors of the rice blast fungus modulate host immunity via transcriptional reprogramming”的研究论文,该研究发现了稻瘟菌分泌两个靶向寄主细胞核的效应因子,通过重编程寄主的转录过程而调控寄主的免疫能力


研究背景


植物无法移动,为了应对自然界中多样的病原物的攻击,植物进化出了一套双层免疫系统。细胞膜上的受体蛋白可以识别病原物的病原相关分子模式(PAMP)从而激活PAMP介导的免疫(PAM-triggered immunity, PTI),构成了植物的第一层防御。同时,病原菌会释放出大量的效应因子(effectors),在胞外或者进入寄主细胞中行驶功能,攻击植物的PTI系统,促进侵染(Effector-triggered susceptibility, ETS)。部分效应因子会被植物抗病蛋白直接或间接地识别,触发更加剧烈的免疫(Effector-triggered immunity, ETI),构成了植物的第二层防御。病原菌通过效应因子变异逃避识别,或者进化出更多效应因子抑制植物的ETI。植物和病原菌就在这种无休止的“军械斗争”中一直演化至今。目前,在卵菌和细菌中报道了在寄主细胞核中起作用的效应因子(核效应因子),在真菌中还较少这样的报道。稻瘟菌是水稻最主要的病害之一,每年导致10-30%的减产。同时,由于稻瘟菌和水稻的基因组信息和遗传技术都非常成熟,稻瘟菌也是一个研究寄主病原物互作的模式生物。稻瘟菌通过biotrophic interfacial complex(BIC)向寄主细胞分泌胞内效应因子。稻瘟菌是否分泌靶向寄主细胞核的效应因子,靶向寄主细胞核是否是不同生物界的病原物的保守的机制,解决这些问题可以帮助我们更好地了解病原菌的致病机制。


主要结果


1)为了鉴定稻瘟菌的核效应因子,作者首先筛选了含有信号肽和DNA结合结构域,并且不含有跨膜结构,糖基磷脂酰肌醇铆钉结构域和内质网滞信号的蛋白。此过程获得了20 个候选效应因子,命名为MoHTR1-20。而后,作者利用转录组测序,对这些候选效应因子在侵染中的表达情况进行了分析,发现其中8个候选蛋白在侵染过程中特异表达。作者通过定位观察,发现其中MoHTR1,MoHTR2在BIC结构上富集,暗示了它们是一类可以进入寄主细胞的胞内效应因子,于是选择这两个效应因子进行了下游实验。

2)为了观察MoHTR1、MoHTR2在侵染过程中的定位,作者将RFP融合到效应因子的C端并进行了稻瘟菌的转化,结果表明MoHTR1,MoHTR2定位于细胞核 (图一)。


图一 MoHTR1,MoHTR2定位于细胞核


3)效应因子的核定位和DNA结合结构域让作者推测效应因子可以结合寄主基因的启动子而发挥功能。通过9-mer-based protein binding microarray (PBM)技术,作者发现MoHTR1可以结合CAATCTTC,MoHTR2则结合CCACCTCC基序。进一步利用这两个基序,作者鉴定到了这两个效应因子可能调控的基因。并挑选了致病相关基因OsMYB4和OsWRKY45进行下一步验证,发现效应因子确实可以结合它们的启动子并抑制表达。过表达MoHTR1或MoHTR2的转基因水稻的转录组数据进一步表明效应因子可以调控并抑制大量免疫相关基因的表达。同时,敲除效应因子的稻瘟菌致病力降低,而过表达效应因子的水稻抗性降低。
4)在自然界中,多种病原菌同时存在并且互相之间有着竞争关系。对此,作者研究了MoHTR1或MoHTR2效应因子是否可以影响其他病原菌的致病性,发现效应因子可以促进半活体病原菌黄单胞菌的侵染,同时抑制死体病原菌宫部旋孢腔菌的侵染。表明MoHTR1和MoHTR2效应因子在与死体病原菌的竞争中可能起着重要作用。


以图解文



首先本文通过生信分析筛选到了几个核效应因子的候选,并进行了实验验证,发现了核效应因子MoHTR1和MoHTR2。通过PBM技术鉴定到了MoHTR1和MoHTR2结合的DNA基序,并通过对过表达MoHTR1和MoHTR2的水稻植株进行转录组测序,发现这两个效应因子可以抑制植物免疫相关基因的表达。最后,作者发现这两个效应因子可以促进半活体病原菌的致病并抑制死体病原菌的致病,暗示了效应因子在病原菌互作中的作用。


意义与展望


目前,在卵菌和细菌中报道了核效应因子的存在,但是在真菌中还没有这样的报道。
本文的结果表明,稻瘟菌作为水稻最主要的病害之一,能够分泌靶向寄主细胞核的效应因子,并且表明靶向寄主细胞核是不同生物界的病原物的保守的进攻机制。同时,作者发现这两个效应因子还可以抑制死体病原菌的侵染,表明了效应因子在微生物互作间的重要作用。此研究为建立控制病害的有效策略提供了依据。


作者/课题组简介


韩国首尔大学Seongbeom Kim为该文第一作者。首尔大学的Yong-Hwan Lee教授为该论文的通讯作者。该研究得到了韩国国家研究基金的资助。Yong-Hwan Lee教授长期关注植物与病原物互作的机制,在NatureCommunications, Frontier Microbiology等水平杂志上发表多篇论文。