Cell Reports | 首都师范大学周冕团队揭示病原效应子破坏生物钟调控植物免疫昼夜差异的分子机制

地球自转带来光照、温度、湿度的昼夜节律变化；生命体为适应这些环境的节律性变化而产生精准的计时系统——生物钟。病原菌的入侵也深谙“时机之道”，例如霜霉病卵菌偏爱黎明高湿时段侵染拟南芥 (Wang et al., 2011)。而植物则针对性地在黎明特异的高表达免疫基因，体现了植物对能量的精准安排。但仍有许多案例表明病原菌能够成功寄生植物，那么病原菌是如何突破生物钟构筑的免疫防线？这一关键科学问题亟待解答。

近日，首都师范大学生命科学学院周冕教授课题组在Cell Reports在线发表题为Pathogen effector disarms circadian-immune crosstalk by targeting TCP14, a dual regulator of clock and defense的研究论文，揭示了病原菌效应子HaRxL21通过靶向植物TCP14蛋白，招募转录共抑制因子TPL/TPR1，破坏TCP14介导的生物钟与免疫互作通路，从而削弱植物的抗病能力，为解析病原菌致病机制提供了全新视角。

病原菌入侵时，会向植物细胞分泌大量效应子干扰其正常生理反应，且这些效应子常靶向同一植物蛋白以高效抑制植物防御。此前研究发现，TCP转录因子家族是效应子的高频靶向对象，仅TCP14就可被52个效应子靶向 (Wessling et al., 2014)，但背后原因不明。有趣的是，基因节律数据库显示TCP14自身表达具有明显的昼夜节律。这表明效应子可能通过靶向TCP14干扰植物生物钟，进而突破生物钟安排的植物免疫巡逻线。

图1. CCA1结合TCP14启动子并促进其基因表达

为验证这一猜想，研究者首先通过分子生物学和遗传学实验证实：转录水平上，TCP14表达具有节律性，且生物钟的晨间组分CCA1结合TCP14启动子促进其表达（图1）；蛋白水平上，生物钟组分ZTL可通过泛素化途径在夜间降解TCP14，使TCP14蛋白含量呈现昼夜的节律性振荡（图2）。

图2. ZTL促进TCP14蛋白在夜间的泛素化降解

随后研究者通过Y1H筛选，发现TCP14能结合生物钟基因CCA1、TOC1和GI的启动子。进一步通过ChIP、Dual-LUC及qPCR实验揭示TCP14在早晚不同时段结合不同启动子，正向调控这些生物钟基因的表达，明确了TCP14在生物钟调控网络中的作用。为阐明TCP14参与调控的下游通路，研究者分别在持续光照和昼夜交替条件下进行时序取样及RNA-seq分析。结果显示，持续光照下TCP14影响多个发育通路基因的节律表达，进一步通过生长表型实验证实其参与生物钟输出途径中下胚轴的生长调控（图3）；而在昼夜交替条件下，tcp14突变体中有149个基因的表达节律消失，其中包含WRKY33、CDPK6、LYM2等多个关键免疫基因。值得注意的是，这些免疫基因在野生型中的早晚表达量存在显著差异，而tcp14突变体中该差异明显减弱。后续丁香假单胞菌DC3000接菌实验也证实，TCP14对早晚间植物免疫发挥门控作用，扮演着生物钟与免疫通路之间“联络员”的角色（图4）。

图3. TCP14促进多个生物钟及其调控基因的表达

图4.TCP14调控免疫基因表达并参与门控免疫

效应子是否通过靶向TCP14干扰这一调控方式？研究者通过酵母双杂筛选与TCP14存在互作的卵菌效应子，发现效应子HaRxL21与TCP14存在较强互作，且已有研究表明HaRxL21可通过与TPL/TPR1互作降低植物免疫力 (Harvey et al., 2020)。因此研究者以HaRxL21为实验对象，分别在体内外验证了二者的互作。而在雌二醇诱导HaRxL21表达株系中，研究者发现HaRxL21不影响TCP14的转录水平，但能显著促进其蛋白积累。结合ZTL降解TCP14的研究结论，研究者推测HaRxL21可能干扰ZTL对TCP14的降解过程。酵母三杂交、CoIP及BiFC实验进一步证实，HaRxL21可阻断TCP14与ZTL的互作，抑制TCP14的泛素化降解，使其蛋白在全天持续积累（图5）。

图5. 效应子HaRxL21与ZTL竞争性结合TCP14促进其蛋白稳定性

此处出现一个有趣的矛盾：既然TCP14能促进免疫基因表达，HaRxL21促进TCP14蛋白积累，为何反而利于病原菌入侵？研究者推测，可能是HaRxL21结合TPL/TPR1后，改变TCP14的转录调控活性。CoIP实验结果显示TCP14与TPL/TPR1仅在HaRxL21存在时才会发生互作。Dual-LUC实验则进一步证明，HaRxL21依赖TCP14与TPL/TPR1的共同存在，才能抑制WRKY33等免疫基因的表达，并且这一调控模式同样存在于TCP14对生物钟核心基因TOC1的表达调控（图6）。

图6. 效应子HaRxL21招募TPL/TPR1抑制TCP14调控的免疫基因表达

综上，该研究明确了TCP14在生物钟介导的植物免疫中发挥“节律门控”作用，揭示了病原菌效应子HaRxL21“精准靶向-稳定蛋白-招募共抑制因子”的三维致病策略（图7）。课题组的另一项相关研究发现，来自霜霉病卵菌的效应子HaRxL10通过靶向TCP家族成员，即生物钟蛋白CHE，干扰植物免疫和发育 (Fu et al., 2025)。这两项研究为病原菌干扰植物生物钟-免疫互作的机制提供了直接证据，拓展了对病原菌致病性与植物防御节律性的认知，表明TCPs可能是培育抗病作物的潜在靶点。

图7. 简化版的分子模式图

首都师范大学生命科学学院周冕教授为论文的通讯作者。课题组在读博士研究生王宇为论文第一作者，课题组硕士研究生吴佳月（已毕业）、刘汉光（已毕业）、范梦玲、博士后崔旋（已出站）等为共同作者。北京大学生命科学学院王伟研究员及其课题组在RNA-seq数据分析等方面给予了大量帮助。该研究得到了国家自然科学基金、北京市科技新星项目、“十四五”时期北京市属高校教师队伍高水平科研创新团队建设支持计划的资助。

参考文献：

Fu, M., Zhou, Y., Zhang, X., Yang, K., Xu, Y., Wang, X., Chen, Z., Wang, Y., Shi, Y., Ma, L., et al. (2025). A pathogen effector HaRxL10 hijacks the circadian clock component CHE to perturb both plant development and immunity. Nat Commun 16, 1538.

Harvey, S., Kumari, P., Lapin, D., Griebel, T., Hickman, R., Guo, W., Zhang, R., Parker, J.E., Beynon, J., Denby, K., et al. (2020). Downy mildew effector HaRxL21 interacts with the transcriptional repressor TOPLESS to promote pathogen susceptibility. PLoS Pathog 16, e1008835.

Wang, W., Barnaby, J.Y., Tada, Y., Li, H., Tor, M., Caldelari, D., Lee, D.U., Fu, X.D., and Dong, X. (2011). Timing of plant immune responses by a central circadian regulator. Nature 470, 110-114.

Wessling, R., Epple, P., Altmann, S., He, Y., Yang, L., Henz, S.R., McDonald, N., Wiley, K., Bader, K.C., Glasser, C., et al. (2014). Convergent targeting of a common host protein-network by pathogen effectors from three kingdoms of life. Cell Host Microbe 16, 364-375.

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2026.116944