eLife:南京农业大学张正光课题组揭示稻瘟菌响应寄主ROS的机制

来源：植物生物学

2020年12月4日，南京农业大学张正光课题组在著名学术期刊eLife 上发表题为“A self-balancing circuit centered on MoOsm1 kinase governs adaptive responses to host-derived ROS in Magnaporthe oryzae”的研究论文，该研究发现了稻瘟菌中的一条通过自平衡响应寄主ROS的新途径。

 研究背景

在与病原菌共进化的过程中，植物进化出了一套先天免疫系统识别病原菌的保守分子模式（PAMP）。细胞膜上的免疫识别受体识别病原菌以后，会将信号传到胞内并激活下游的信号通路，最终激活一系列免疫反应，比如强烈的活性氧迸发（ROS burst）。NADPH氧化酶介导的活性氧迸发是最早发生的免疫反应之一，可以显著抑制病原菌的侵染。相应的，病原菌也可以响应寄主的ROS迸发，并激活自身的ROS迸发响应途径，进而帮助自己度过这种逆境。但是，目前人们对病原菌如何响应寄主的ROS还知之甚少。

稻瘟菌是一种毁灭性的水稻病害，被称为水稻癌症（图一）。其变异速度很快，在同一个植株上甚至可以检测出7个变种。这种进化速度使得抗病品种和杀菌剂迅速地失效，导致稻瘟菌的防治及其困难，也不能长久。前人研究表明稻瘟菌在遇到ROS胁迫时可以激活自身响应ROS的途径并提高对ROS的耐受性，其中MAPK级联蛋白MoOsm1和转录因子MoAtf1对稻瘟菌响应ROS十分重要。但是，稻瘟菌在侵染过程中如何响应寄主的ROS迸发和调节自己对ROS抗性的具体机制仍然未知。

图一 稻瘟病病害表型图

 主要结果

1）稻瘟菌在侵染过程中诱导水稻ROS迸发：为了探究稻瘟菌侵染过程中是否能诱导水稻的ROS迸发，作者首先对感病品种（LTH）和中度抗性品种（K23）的水稻进行了稻瘟菌接种，并用DAB染色检测了活性氧迸发的情况。结果表明在抗病品种水稻中可以检测到ROS迸发和菌丝侵染的抑制，表明水稻可以激发ROS抑制侵染，暗示了清除寄主ROS对稻瘟菌成功侵染的必要性。

2）MoOsm1的磷酸化水平在ROS胁迫下升高：MoOsm1曾被报道参与ROS的响应，作为一个MAPK级联蛋白，其磷酸化水平可能受ROS调控。为了研究MoOsm1是否响应ROS，作者对过氧化氢处理后的MoOsm1水平进行了检测，发现MoOsm1的磷酸化水平在ROS胁迫下提高，并且其细胞核定位增加。同时，作者进一步发现MoOsm1的磷酸化会使其从二聚体变成单聚体，从而促进入核。

3）MoOsm1磷酸化转录因子MoAtf1,使其与MoTup1解离从而诱导ROS响应途径的基因表达：由于MoOsm1在ROS胁迫下会入核，可能参与调控转录因子。作者首先检测了MoAtf1是否被MoOsm1的磷酸化，结果表明MoOsm1在体外和体内都能够磷酸化MoAtf1。通过酵母双杂交实验，作者发现MoAtf1与一个转录抑制子MoTup1互作，并且转录活性受其抑制。而MoAtf1的磷酸化会导致MoAtf1与MoTup1解离，从而促进其诱导ROS响应途径的基因表达。

4）MoPtp1/2调控MoOsm1的去磷酸化，并且参与抑制寄主的活性氧迸发：MoOsm1的磷酸化可以导致其入核并磷酸化转录因子MoAtf1。作者接下来探索了是否有蛋白能够调控MoOsm1的去磷酸化。在酿酒酵母中曾报道了一类磷酸酶Ptp可以去磷酸化MoOsm1的同源蛋白，作者首先检测了稻瘟菌中的Ptp是否有这个功能。结果表明，MoPtp1/2可以调控MoOsm1的去磷酸化。为了研究MoPtp1/2的功能，作者构建了突变体。结果表明 △Moptp1/2突变体清除寄主ROS的能力减弱，说明MoPtp1/2参与调控抑制寄主活性氧迸发。

5）MoPtp1/2受MoAtf1调控：为了探究MoAtf1结合的顺式转录元件，作者进行了Chip-seq，并发现MoPtp1/2的启动子中含有MoAtf1的结合元件。并通过EMSA实验和突变体的定量实验证明了MoAtf1确实调控MoPtp1/2的表达。

以图解文

侵入过程中，MoOsm1以二聚体形式存在，MoTup1与MoAtf1结合并抑制其转录活性（上图）。在接受到ROS信号后，MoOsm1被磷酸化从而解离成二聚体进入细胞核，并磷酸化MoAtf1，导致MoAtf1与MoTup1解离，激活相关毒力因子的表达（中图）。同时MoAtf1诱导磷酸化MoPtp1/2的表达，MoPtp1/2将MoOsm1去磷酸化，抑制MoAtf1和MoTup1的解离，抑制毒力因子的表达，形成一个反馈调节，帮助半活体病原菌稻瘟菌维持平衡（下图）。

意义与展望

稻瘟菌是一种毁灭性的水稻病害，对其致病机制的研究可以为制定防治策略提供理论基础。本研究填补了半活体病原菌响应寄主ROS机制的空白，提高了人们对病原菌和寄主互作的理解。同时在稻瘟菌中鉴定到了几个关键的ROS耐受性和致病力相关的蛋白，为寻找杀菌剂的新靶点提供了理论依据。