JIPB | 两篇连发：华中农大黄俊斌团队报道二羟基异丁酰化调控稻曲病菌致病新机制

水稻是我国重要的粮食作物，稻曲病是水稻三大病害之一，不仅造成稻米产量损失，更重要的是稻曲球中的稻曲菌素的毒性和致畸作用，给人畜健康带来严重威胁。病原菌对植物的侵袭是由病原菌的毒力和植物免疫系统相互作用决定的。深入研究这种复杂的互作过程，对全面理解细菌如何引起植物病害以及植物如何保护自己免受病原菌侵染至关重要。

蛋白翻译后修饰（PTMs）在病原菌与植物互作过程中起关键作用。最新研究发现，组蛋白赖氨酸2-羟基异丁酰化(Khib)修饰是拟南芥、水稻、烟草等多种植物中保守的表观基因组标记，参与植物对暗诱导饥饿胁迫的适应性。然而Khib修饰在植物响应生物胁迫中的作用还不清楚；特别是，病原菌侵染植物是否与Khib修饰有关联，进而如何调控基因表达和植物防御反应，仍有待进一步探索。
近日，华中农业大学植物科学技术学院黄俊斌教授课题组在植物学领域著名期刊Journal of Integrative Plant Biology（IF=7.061）先后发表了题为“Comprehensive identification of lysine 2-hydroxyisobutyrylated proteins in Ustilaginoidea virens reveals the involvement of lysine 2-hydroxyisobutyrylation in fungal virulence”和“Ustilaginoidea virens modulates lysine 2-hydroxyisobutyrylation in rice flowers during infection”的研究论文。首次系统鉴定了水稻花器、稻曲菌中Khib修饰蛋白，从宿主、病原菌两个不同角度分别探索Khib修饰在病原菌侵染过程中的动态变化，揭示了Khib在水稻重要病原稻曲菌致病中的调控机制。景杰生物为该研究提供特异性二羟基异丁酰化泛抗体及修饰组学技术支持。

 

[ Khib修饰调控稻曲菌致病力 ]

Khib修饰在真核和原核生物中广泛存在，但在植物病原体研究中仍存在许多未知。研究人员首先运用Khib修饰泛抗体对稻曲菌、稻瘟菌、小麦赤霉菌、炭疽菌等植物病原真菌进行WB实验，证实Khib修饰广泛存在于植物病原真菌中，且修饰位点丰富。随后使用基于TMT的定量蛋白质组学方法（质谱策略）对水稻假黑穗病真菌（Ustilaginoidea virens）（样本策略）中的Khib进行了全面评估，研究鉴定到977个Khib修饰蛋白上的3,426个Khib修饰位点。除组蛋白外，Khib修饰还广泛分布在细胞核、细胞质、线粒体等不同细胞结构的非组蛋白上。Khib修饰蛋白参与了多种生物学过程，如代谢、糖酵解、糖异生等，部分Khib修饰蛋白还与毒力和应激反应相关的蛋白高度相关，包括 MAPK途径、核糖体结构组分、翻译起始因子、细胞自噬和 Septin蛋白等。

图1  稻曲菌中2-羟基异丁酰化蛋白的表征及功能注释

研究发现侵染过程稻曲菌中Khib修饰水平上调，并进一步揭示了Khib介导的真菌毒力新机制。UvRpd3蛋白可去除U. virens中的2-羟基异丁酰化和乙酰化，而UvRpd3的结合蛋白UvSlt2的Khib位点的突变，可通过增加疏水性溶剂表面积降低UvSlt2酶及其底物之间的结合，显著降低真菌毒力。总之该发现首次报道了Khib修饰在病原菌U. virens的重要作用，并指出Khib修饰参与调控植物病原真菌致病力。

图2 UvRpd3可去除U. virens中的2-羟基异丁酰化和乙酰化

[ 稻曲病菌调控水稻Khib修饰抑制水稻免疫反应 ]

病原菌与植物互作过程中，寄主植物可通过蛋白质翻译后修饰（PTMs）调控基因转录、染色质动态结构、蛋白质稳定性、细胞定位等，进而调节细胞代谢过程。该研究使用TMT定量蛋白组学技术（质谱策略）对稻曲病菌侵染的水稻花器（样本策略）进行系统分析，研究共鉴定到964个Khib修饰蛋白上的2891个Khib修饰位点。其中Khib修饰蛋白定位于细胞核、细胞质、线粒体等多个细胞器中。代谢通路富集分析发现Khib修饰蛋白广泛参与代谢、糖酵解/糖异生等多个生物学过程。

图为水稻花器中的Khib分析

进一步研究发现，稻曲病菌侵染水稻花器后导致大多数蛋白的Khib位点修饰水平显著降低，其中包括H3K23hib、H3K56hib、H3K79hib、H3K122hib等多个H3组蛋白修饰位点。ChIP-PCR和RT-qPCR分析显示组蛋白Khib修饰水平下降导致受侵染花器中抗性相关基因转录水平显著下降。通过体外、体内酶活试验发现，水稻组蛋白去乙酰化酶HDA705、HDA716、SRT1和SRT2具有去Khib修饰活性；其中，组蛋白去乙酰化酶HDA705可以负调控水稻的免疫反应，HDA705敲除突变体对水稻主要病原菌稻曲菌、稻瘟菌和水稻白叶枯具有广谱抗性。因此，该研究揭示了稻曲病菌在侵染过程中可通过改变水稻Khib修饰水平抑制寄主抗病基因表达，从而削弱水稻的防御反应。上述发现为我们深入理解植物病原真菌的致病机制提供了新的认识。

图为稻曲病菌调控水稻Khib修饰削弱寄主防御反应

小结：植物的病原宿主互作常以植物、或病原菌为主要研究对象，这两篇研究针对稻曲病菌的侵染过程，分别从稻曲病菌、水稻花器两个角度进行分析，揭示了二羟基异丁酰化在植物和病原菌互作的重要调控作用：Khib调控植物病原真菌致病力，同时通过改变水稻Khib修饰水平抑制寄主抗病基因表达，从而削弱水稻的防御反应。为研究其他多种植物和病原菌与共生菌的互作提供了一个很好的参考思路。

研究也证实了二羟基异丁酰化与植物的非生物逆境胁迫、生物胁迫都密切相关，为后续植物病害防控研究提供了参考。研究也启发我们，新型的PTM类型尤其赖氨酸乙酰化，巴豆酰化、琥珀酰化等酰化修饰类型，在植物非生物胁迫/生物胁迫领域都有诸多报道，可能对植物的发病机制有未知的影响。同时PTMs之间存在明显的相互作用Crosstalk，因此不同PTMs介导的调控网络也将为植物病原菌的生物学和侵染研究提供新的思路。

参考文献

1，Xiaoyang Chen, et al. 2021. Comprehensive identification of lysine 2-hydroxyisobutyrylated proteins in Ustilaginoidea virens reveals the involvement of lysine 2-hydroxyisobutyrylation in fungal virulence. Journal of Integrative Plant Biology.2，Xiaoyang Chen, et al. 2021. Ustilaginoidea virens modulates lysine 2-hydroxyisobutyrylation in rice flowers during infection. Journal of Integrative Plant Biology.