【科研新进展】植物免疫团队揭示条锈菌效应蛋白调控小麦pre-mRNA可变剪接抑制植物免疫新机制

2022年3月5日，植物免疫团队在国际著名学术期刊Plant Biotechnology Journal上发表了题为“A rust fungus effector directly binds plant pre-mRNA splice site to reprogram alternative splicing and suppress host immunity”的研究论文。该研究首次鉴定到了位于植物细胞核斑点的小麦条锈菌效应蛋白Pst_A23，解析了其通过与植物pre-mRNA可变剪接序列结合调控小麦可变剪接，干扰植物免疫促进条锈菌致病的分子机制，丰富了对活体营养寄生真菌侵染致病机制的认识，并通过干扰病菌效应蛋白创制了抗病材料，为小麦抗病育种提供了新思路和育种资源。我室汤春蕾副研究员为论文第一作者，康振生院士为共同作者，王晓杰教授为论文通讯作者。

条锈病是小麦重大真菌病害，传播快、发生范围广、成灾频率，常导致10%-30%小麦产量损失，严重时甚至绝收。培育和种植抗性品种是防控条锈病最经济有效和环境友好的措施。然而条锈菌频繁变异导致品种抗性不断“丧失”，导致病害频繁爆发流行。研究条锈菌致病性及其变异机理，对小麦抗病遗传改良和条锈病可持续控制具有重要的指导意义。

pre-mRNA可变剪接作为重要的转录后修饰，是一种快速精确调控植物免疫的有效机制。研究表明小麦条锈菌侵染导致10.4%的小麦多外显子基因发生可变剪接，但迄今尚未阐明条锈菌干扰宿主 pre-mRNA剪接以抑制免疫的分子机制。

条锈菌效应蛋白Pst_A23编码富含精氨酸和丝氨酸的分泌蛋白，依赖C-端富含精氨酸结构域定位于植物细胞核斑点；Pst_A23能够抑制由Flg22和荧光假单胞菌诱导的胼胝质积累以及防御相关基因表达，促进条锈菌在小麦内的侵染，C-端富含精氨酸结构域突变则丧失抑制植物免疫的功能； Pst_A23 过表达株系条锈菌致病性显著提高，RNAi株系条锈菌致病性则显著降低，菌丝生长发育、吸器形成受抑，小麦抗性增强，表明Pst_A23在条锈菌致病性中发挥重要作用。

图1 条锈菌效应蛋白Pst_A23依赖C-端富含精氨酸结构域位于植物细胞核斑点

条锈菌效应蛋白过表达小麦株系中鉴定到588个差异可变剪接基因，RT-PCR验证其中防御相关基因可变剪接效率下降。De novo 预测差异可变剪接基因剪接位点上下游50 bp RNA基序，RNA-EMASA验证Pst_A23能够与其中2个RNA基序结合。进一步研究发现，这2个RNA基序存在于受体蛋白激酶基因 TaXa21-H 和转录因子基因 TaWRKY53 的 cis -element，且Pst_A23能够与这两个基因的 cis -element结合。 Pst_A23 瞬时表达及过表达株系中， TaXa21-H 和 TaWRKY53 的可变剪接效率降低，但C-端精氨酸区域突变后，瞬时表达则不能改变 TaXa21-H 和 TaWRKY53 的可变剪接效率。体外结合实验与体内剪接效率检测实验表明Pst_A23能够与 TaXa21-H 和 TaWRKY53   cis -element中特异RNA基序结合，影响二者的可变剪接。在小麦中瞬时沉默 TaXa21-H 和 TaWRKY53 均显著降低小麦抗病性，表明Pst_A23可能通过影响二者可变剪接抑制小麦抗病性。研究结果揭示了条锈菌效应蛋白Pst_A23直接与可变剪接位点特异RNA基序结合调控寄主抗病相关基因的可变剪接，抑制寄主免疫反应，促进病菌致病的作用机理，并利用病菌效应蛋白基因创制小麦抗病材料，对小麦抗病材料的创制提供了新途径。

图2 条锈菌效应蛋白结合特异RNA基序干扰寄主pre-mRNA可变剪接

本研究得到了“十四五”国家重点研发计划、国家自然科学基金、陕西省创新团队、陕西省国际科技合作项目、“万人计划”科技创新领军人才等项目资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/pbi.13800