NAR | 侯英楠/王利媛/董莎萌合作揭示植物病原卵菌利用双重表观沉默机制实现免疫逃逸

近日，南京农业大学董莎萌团队联合上海交通大学侯英楠团队在国际权威期刊Nucleic Acids Research（5-year IF=16.8）在线发表了题为Effector gene silencing coordinated by histone methylation and small RNAs enhances host adaptation in a plant pathogen的研究论文。该研究揭示植物病原卵菌通过组蛋白修饰 H3K27me3与小RNA（sRNA）通路的协同作用，实现无毒基因完全沉默，从而有效逃避寄主免疫识别，并提出了植物病原卵菌应对宿主抗性压力的“双重表观遗传沉默机制”新模型。

植物与病原菌的互作遵循经典的“基因对基因”（gene-for-gene）假说：宿主植物利用抗病（R）蛋白识别病原菌分泌的无毒蛋白（Avr），一旦识别成功，即迅速激活效应子诱导的免疫反应（ETI），从而阻止侵染。然而，在自然选择和农业生产的长期压力下，病原菌进化出多种策略以逃避宿主识别，包括无毒基因序列突变、基因缺失，以及具有更高可塑性的转录沉默调控机制等，从而重新获得致病能力。

大豆疫霉（Phytophthora sojae）是导致大豆根腐病的重要卵菌病原。大豆根腐病在全球大豆主产区普遍发生，而田间菌株的持续变异是该病害难以防控的关键因素之一。大豆疫霉分泌一系列含Arginine-X-Leucine-Arginine（RxLR）基序的效应蛋白促进侵染，其中已有九个被鉴定为无毒蛋白，可被特定大豆抗病蛋白（Rps）识别，从而触发ETI免疫。

已有研究表明，大豆疫霉可以通过沉默自身无毒基因的表达来逃避宿主植物的“基因对基因”识别。2013年，加拿大农业及农业食品部Mark Gijzen团队在 Nature Communications 上报道小RNA可介导无毒基因 Avr3a 的跨代沉默；2020年，南京农业大学董莎萌团队在 Nucleic Acids Research 上揭示组蛋白修饰H3K27me3参与维持 Avr1b 基因的沉默。这两项研究分别定义了卵菌效应子沉默的两种典型机制，但二者是否在同一位点发生协同调控、以及其在病原菌适应中的整体意义，仍待研究。

在大豆疫霉 ACR10 菌株中，Avr1b 和 Avr3a 基因天然处于沉默状态，这一特性为解析其沉默机制提供了重要切入点。研究团队通过 CRISPR/Cas9 技术编辑病原菌 PRC2 核心亚基 PsSu(z)12，并整合 ChIP-seq、RNA-seq、sRNA-seq 等多组学数据，发现H3K27me3的缺失不仅导致 Avr1b 和 Avr3a 等效应基因的转录重新激活，同时伴随该位点小RNA水平显著下降，表明组蛋白修饰与小RNA途径存在紧密关联。进一步地，在 PsSu(z)12 突变体中导入体外合成的25bp内源双链RNA，可显著抑制无毒基因的转录水平，直接证明了小RNA在效应子沉默中的关键作用。值得注意的是，在PsSu(z)12回补突变体中，Avr1b位点的H3K27me3修饰和小RNA水平均恢复，基因沉默得以重建；而 Avr3a 位点仍保持转录活性, 表明两种机制对基因沉默的协同调控具有位点特异性。

在全基因组尺度上，研究进一步发现，多数受 H3K27me3 调控的 RxLR 效应基因位点同时富集sRNA信号，表明这种协同沉默并非个例，而是大豆疫霉中一种具有普遍性的调控模式。此外，不同田间菌株在RxLR效应基因位点在H3K27me3和sRNA分布上呈现出显著异质性，反映了病原菌群体层面的表观动态调控特征。这种双层调控系统赋予了病原菌极高的表观遗传可塑性，使其在不丢失效应基因的情况下规避R基因的识别，实现效应子的“循环利用”。

综上，该研究揭示了植物病原卵菌在演化过程中，通过组蛋白修饰和小RNA协同调控效应子基因表达，利用双重表观沉默机制应对宿主免疫压力，从而增强田间适应性。同时，研究鉴定 PsSu(z)12 为连接这两条途径的关键枢纽因子，为未来抗病策略和药剂靶标开发提供新思路。

图1 图形摘要

上海交通大学已出站博士后、南京农业大学博士王利媛为论文第一作者及共同通讯作者；上海交通大学侯英楠副教授与南京农业大学董莎萌教授为共同通讯作者；加拿大农业及农业食品部Mark Gijzen教授为该工作的重要合作者。本研究获得国家自然科学基金、上海市自然科学基金以及上海市现代种业协同创新中心资助。

https://doi.org/10.1093/nar/gkaf1426

侯英楠课题组简介：

侯英楠博士：上海交通大学农业与生物学院长聘教轨副教授，上海市现代种业协同创新中心PI。博士毕业于北京大学生命科学学院，曾于2014-2020年在美国加州大学河滨分校从事植物病理学研究工作。在Cell Host & Microbe、Molecular Plant、Trends in microbiology、Current Biology等国际权威期刊发表多篇论文。课题组综合运用分子生物学、细胞生物学、遗传学、生物化学以及生物信息学等技术手段研究植物与病原微生物相互作用过程中，生物大分子的跨物种运输机制，以及非编码RNA在植物免疫调节中的功能。目前，课题组以重要园艺作物马铃薯、番茄等为研究对象开展研究工作。课题组的详细信息请查看：https://www.agri.sjtu.edu.cn/En/Data/View/5310。因科研工作需要，现面向海内外招聘博士后1名。具备植物学相关研究背景，且具有组织培养、细胞生物学、RNA生物学及生物信息学等研究经历者优先。有意者请将个人简历（CV），包括教育背景、工作经历、研究成果（已发表或投稿阶段文章）、联系方式等信息发送至课题组长工作邮箱：yingnanh@sjtu.edu.cn。邮件标题请注明：博士后应聘+本人姓名。