Science Advances | 水稻抗病新機制：微小RNA如何被“偷運”進真菌戰場

在植物與病原菌的軍備競賽中，水稻面臨著稻曲病菌（Ustilaginoidea virens）這一勁敵。這種真菌專門侵染水稻花器，形成令人觸目驚心的“稻曲球”，嚴重影響產量和品質。過去研究已發現，病原菌分泌大量效應蛋白來抑制水稻免疫，其中SCRE2被證實是一個關鍵的致病因子。然而，SCRE2究竟如何幫助病原菌攻破水稻防線，其分子機制一直成謎。近年來，跨界RNA干擾現象備受關注——植物可以通過細胞外囊泡將小RNA運送到病原菌體內，沉默其致病基因。但植物如何選擇并裝載這些“彈藥”到囊泡中，仍是未解之謎。

近日，中國農業大學孫文獻教授和汪激揚副教授團隊在《Science Advances》發表了題為《OsRNS4-mediated cross-kingdom RNA interference is inhibited by Ustilaginoidea virens effector SCRE2 to promote infection in rice》的研究論文，首次揭示了水稻如何通過一個特殊的核糖核酸酶樣蛋白裝載微小RNA并運送到稻曲病菌中發揮作用，以及病原菌如何反制這一防御機制的精彩故事。

研究團隊首先發現稻曲病菌效應蛋白SCRE2能夠特異性地與水稻中的一個S-like核糖核酸酶家族成員OsRNS4相互作用。有意思的是，OsRNS4雖然不具備核糖核酸酶活性，卻保留了結合RNA的能力。通過基因敲除和過表達實驗證實，OsRNS4是水稻抗病性的正調控因子——敲除該基因后，水稻對稻曲病的感病性顯著增強，而OsRNS4過表達植株則表現出更強的抗病性。進一步研究發現，OsRNS4結合RNA的能力對其免疫功能至關重要，當RNA結合關鍵位點突變后，OsRNS4喪失了互補突變體表型的能力。

接下來，研究團隊揭示了OsRNS4的“秘密任務”——它竟然是通過細胞外囊泡被分泌到細胞外空間的。蛋白酶保護實驗顯示，OsRNS4與囊泡標記蛋白TET13互作并緊密附著在囊泡上。更有趣的是，OsRNS4能夠結合一類特定序列的水稻微小RNA，其中包括miR528-5p。通過RNA免疫沉淀測序發現，OsRNS4結合的微小RNA靶基因大多富集在植物-病原互作通路中。更重要的是，研究人員在稻曲球中檢測到了水稻來源的miR528-5p，且其含量在OsRNS4敲除株系來源的稻曲球中顯著降低，表明OsRNS4負責將miR528-5p從水稻運送到真菌體內。

隨后，研究團隊追蹤了miR528-5p進入稻曲病菌后的去向。生物信息學預測和實驗證實，miR528-5p能夠靶向稻曲病菌中一個名為UvSfkl的基因。當人工添加miR528-5p到稻曲病菌培養物中時，UvSfkl的表達顯著下降，真菌產孢能力也受到抑制。而敲除UvSfkl基因后，稻曲病菌的產孢能力和致病性都大打折扣。這完整揭示了水稻通過OsRNS4將miR528-5p運送至真菌體內，沉默其關鍵致病基因UvSfkl，從而增強抗病性的全新機制。

那么，病原菌又是如何反制這一防御策略的呢？研究發現，效應蛋白SCRE2與OsRNS4的相互作用特異性地發生在細胞外囊泡上，且這種互作在病原相關分子模式處理后得到增強。更重要的是，微量熱泳動實驗和凝膠阻滯實驗表明，SCRE2能夠以劑量依賴的方式抑制OsRNS4結合RNA的能力。在體內實驗中，表達SCRE2的水稻原生質體中，OsRNS4免疫沉淀下來的miR528-5p顯著減少。相應地，接種SCRE2敲除突變體菌株產生的稻曲球中，miR528-5p的含量明顯升高。這表明，SCRE2通過競爭性抑制OsRNS4結合微小RNA，阻斷了水稻向真菌輸送“沉默彈藥”的防御途徑。

中國農業大學為論文第一完成單位，已畢業博士生高涵為第一作者，孫文獻教授與汪激揚副教授為共同通訊作者。該團隊長期從事水稻與病原菌互作研究，近期在Science，Cell，Mol Plant，Science Advances，Nat Commun等知名雜志發表研究成果。崔福浩副教授，郭海龍教授，西南大學方安菲副教授，王善之研究員，四川農業大學/崖州灣國家實驗室樊晶教授，韓國首爾大學Yong-Hwan Lee教授等參與了本項工作。該研究得到了國家自然科學基金、國家重點研發計劃項目與農林生物安全全國重點實驗室聯合攻關等項目的資助。

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