近日，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院董漢松教授團(tuán)隊(duì)在Molecular Plant上發(fā)表了題為“Alternative splicing of OsNPR3promoted by bacterial TAL effectors-targeted splicing regulator OsRBP11 antagonizes OsNPR1 function to enhance disease susceptibility in rice”的研究論文。研究證明，水稻黃單胞菌（Xanthomonas oryzae）轉(zhuǎn)錄激活子類效應(yīng)子（transcription activator-like effectors, TALEs）靶向水稻剪接調(diào)控因子OsRBP11，促進(jìn)OsNPR3前體RNA可變剪接，抑制OsNPR1的抗病功能，導(dǎo)致水稻發(fā)生細(xì)菌性條斑病和白葉枯病，但OsRBP11自然變異卻能賦予水稻廣譜抗病性。這項(xiàng)研究揭示了病原細(xì)菌破壞植物免疫體系引發(fā)致病性的新途徑和植物維護(hù)免疫系統(tǒng)的新機(jī)制，為作物抗病育種提供了新策略。
已知水稻共有11種細(xì)菌性病害，其中，X. oryzae pv. oryzae(Xoo)和X.oryzaepv. oryzicola(Xoc)分別引起的白葉枯病和細(xì)菌性條斑病屬于世界性病害，發(fā)生最為頻繁，危害最為嚴(yán)重。Xoc和Xoo依靠多種致病因子引發(fā)病害，TALEs是關(guān)鍵致病因子。植物病原細(xì)菌TALEs靶標(biāo)基因種類和作用機(jī)制，植物決定廣譜抗病性的水楊酸旁系同源受體蛋白NPRs的功能關(guān)系，都是植物病理學(xué)界懸而未決的重大熱點(diǎn)問題。團(tuán)隊(duì)前期在廣東省稻區(qū)采集到毒性強(qiáng)于標(biāo)準(zhǔn)菌株RS105的Xoc菌株GD41，并從中鑒定出TAL3GD41，證明TAL3GD41抑制水稻水楊酸信號(hào)傳導(dǎo)通路，削弱水稻抗病性，增強(qiáng)病菌致病性。本研究計(jì)劃鑒定TAL3GD41和毒性作用類似的TALEs的靶標(biāo)基因及其功能機(jī)制。結(jié)果將部分解答上述熱點(diǎn)問題，推進(jìn)我們關(guān)于病原細(xì)菌TALEs和植物NPRs功能機(jī)制的認(rèn)識(shí)。
本研究顯示，TAL3GD41誘發(fā)OsNPR3可變剪接，導(dǎo)致OsNPR3全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄本（canonical version, CV）和兩個(gè)短轉(zhuǎn)錄本variant 1 (V1)和variant 1 (V2)的產(chǎn)生（圖1）。OsNPR3V1和V2均丟失BTB/POZ結(jié)構(gòu)域，保留了ANK結(jié)構(gòu)域。前人研究指出，BTB/POZ參與NPRs降解，ANK決定NPRs與轉(zhuǎn)錄因子TGA結(jié)合從而激活防衛(wèi)反應(yīng)基因表達(dá)。本研究證實(shí)，OsNPR3V1和V2翻譯產(chǎn)生的OsNPR3V1和V2兩種蛋白質(zhì)與OsNPR1競(jìng)爭(zhēng)結(jié)合OsTGA2和OsTGA3，減弱OsNPR1與這兩個(gè)OsTGA結(jié)合的能力，從而抑制OsNPR1作為共轉(zhuǎn)錄因子的功能，結(jié)果降低了水稻防衛(wèi)反應(yīng)基因PR1a的表達(dá)水平，削弱了水稻抗病性，賦予病菌致病性（圖2）。
圖2.OsNPR3 V1和V2同OsNPR1競(jìng)爭(zhēng)OsTGAs阻礙OsNPR1激活防衛(wèi)反應(yīng)基因的功能
TAL3GD41是轉(zhuǎn)錄因子，不能直接介入基因轉(zhuǎn)錄本可變剪接，必須借助可變剪接調(diào)控因子。OsRBP11是一種可變剪接調(diào)控因子，含有效應(yīng)子結(jié)合元件（effector binding elements, EBEs）。TAL3GD41通過一個(gè)EBE與OsNPR3前體RNA結(jié)合，促使OsNPR3發(fā)生可變剪接，但OsRBP11的EBE或RNA識(shí)別基序（RNA recognition motif, RRM）突變以后，它便喪失調(diào)控OsNPR3可變剪接的功能（圖3）。
圖3.抑制OsRBP11與TAL3GD41或OsNPR3RNA前體互作則能抑制OsNPR3可變剪接
從Xoc菌株GD41和RS105、Xoo菌株P(guān)XO86、PXO99A鑒定出80個(gè)、克隆了53個(gè)TALEs，證明11個(gè)TALEs有一個(gè)共同靶標(biāo)，即OsRBP11。對(duì)來自世界各地的Aus、indica、japonica和VI/Aromatic水稻共358個(gè)品種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，鑒定出這11個(gè)TALEs發(fā)揮致病性的水稻品種和抗病品種，厘清了一份寶貴的抗病資源，進(jìn)而證明這11個(gè)TALEs在特定感病品種上靶向OsRBP11誘發(fā)OsNPR3可變剪接的功能機(jī)制（圖4）。
圖4.代表性TALEs靶向OsRBP11促進(jìn)OsNPR3可變剪接從而抑制防衛(wèi)反應(yīng)基因表達(dá)
從4726份水稻基因組數(shù)據(jù)庫(kù)中鑒定到9個(gè)單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphism, SNP）位點(diǎn)，處在TALEs識(shí)別的11個(gè)EBEs內(nèi)部或上游，發(fā)現(xiàn)攜帶SNP位點(diǎn)的水稻品種均能阻斷TALEs識(shí)別，削弱上述4個(gè)菌株的毒性，與不存在這種SNPs的水稻品種相比，無論在室內(nèi)還是田間，對(duì)細(xì)菌性條斑病和白葉枯病的抗性都有大幅度增強(qiáng)。顯然，OsRBP11廣泛存在于水稻不同品種，具有作為抗性改良因子應(yīng)用于育種的巨大潛力。
研究歷時(shí)近11年，由國(guó)內(nèi)3所大學(xué)、5個(gè)研究院、2個(gè)技術(shù)管理部門合作完成，團(tuán)隊(duì)主要成員達(dá)42人之多。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院講師陳曉晨、博士生姚曉輝、王作棟，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所副研究員嚴(yán)芳，北京市農(nóng)林科學(xué)院蔬菜生物育種全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員李少芳，云南省農(nóng)科院生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究所副研究員殷富有，合署共同第一作者。山東農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院董漢松教授，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所周煥斌研究員，云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究所程在全研究員，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳和種質(zhì)資源創(chuàng)新與利用全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室楊東雷教授，陜西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院張美祥教授，擔(dān)當(dāng)共同通訊作者。主要參加者另外還有33人，包括：陜西師范大學(xué)講師白碧欣，山東省濟(jì)寧市農(nóng)業(yè)科學(xué)院馬井玉研究員、劉艷芝研究員、馮亞平副研究員，濟(jì)寧市任城區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局高級(jí)農(nóng)藝師張建華，云南省元江縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局農(nóng)藝師楊學(xué)寶，山東省臨沂市農(nóng)業(yè)科學(xué)院徐玉恒研究員，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)陳蕾副教授、鄒珅珅教授、丁新華教授。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家生物育種重大項(xiàng)目、云南省種質(zhì)資源實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)項(xiàng)目、山東農(nóng)業(yè)大學(xué)雙一流學(xué)科建設(shè)基金、山東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助。
編 輯：萬 千
審 核：賈 波
