中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植保學(xué)院劉西莉課題組揭示了組蛋白乙酰化修飾H4K16ac調(diào)控大豆疫霉響應(yīng)ROS脅迫的跨代適應(yīng)性的表觀遺傳機(jī)制

　　中國農(nóng)大新聞網(wǎng)訊 2024年12月31日，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植保學(xué)院劉西莉教授團(tuán)隊(duì)在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊PNAS上發(fā)表論文 PsDMAP1/PsTIP60-regulated H4K16ac is required for ROS-dependent virulence adaptation of Phytophthora sojae on host plants 。該研究發(fā)現(xiàn)PsDMAP1/PsTIP60介導(dǎo)的H4K16ac作為表觀遺傳標(biāo)記，調(diào)控了大豆疫霉對ROS脅迫的跨代適應(yīng)性，促進(jìn)大豆疫霉及其后代更好地適應(yīng)植物防御反應(yīng)和殺菌劑脅迫，為后續(xù)挖掘表觀修飾調(diào)控因子作為藥物分子靶標(biāo)和田間病原菌抗藥性的治理提供了新思路。

 

　　植物病原菌在田間侵染寄主植物時(shí)會遇到動(dòng)態(tài)和具有挑戰(zhàn)性的微環(huán)境。寄主植物和各種呼吸抑制類殺菌劑可通過誘導(dǎo)過量活性氧（ROS）的釋放以引發(fā)DNA損傷來抑制植物病原菌，并直接或間接導(dǎo)致病原菌細(xì)胞死亡。然而，關(guān)于植物病原卵菌如何應(yīng)對ROS脅迫的分子調(diào)控機(jī)制尚不清楚。已有報(bào)道表明，全面的轉(zhuǎn)錄重編程能夠使病原菌精確地應(yīng)對不同的宿主環(huán)境。其中，組蛋白乙?；揎?，尤其是組蛋白H4上第16位賴氨酸上發(fā)生的乙酰化修飾（H4K16ac）可通過減少染色質(zhì)濃縮來促進(jìn)真核細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄激活。在果蠅和哺乳動(dòng)物中，H4K16ac能夠從母源生殖細(xì)胞到受精卵跨代傳遞，并在胚胎早期通過調(diào)控染色質(zhì)可及性激活基因表達(dá)。但是，在植物病原菌中，H4K16ac是否可作為表觀遺傳信息載體來調(diào)控大豆疫霉對植物和殺菌劑誘導(dǎo)的ROS脅迫適應(yīng)性，并將這種適應(yīng)性傳遞到病原菌后代？這是一個(gè)非常有趣的科學(xué)問題。

 

　　課題組前期報(bào)道了DNA甲基轉(zhuǎn)移酶1結(jié)合蛋白1（PsDMAP1）在大豆疫霉菌絲生長、發(fā)育、致病以及氧化脅迫中發(fā)揮重要的功能（Zhang et al, 2023）。在此基礎(chǔ)上，本研究揭示了PsDMAP1/PsTIP60介導(dǎo)的組蛋白乙?；疕4K6ac在ROS誘導(dǎo)的DNA損傷反應(yīng)（DDR）中的作用。具體而言，PsDMAP1通過與組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶PsTIP60互作，增強(qiáng)了其組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶的活性，共同介導(dǎo)了ROS誘導(dǎo)的DNA損傷狀態(tài)下的H4K16ac富集，進(jìn)而促進(jìn)了RNA聚合酶II的募集以激活下游DDR基因的轉(zhuǎn)錄，導(dǎo)致DNA損傷反應(yīng)標(biāo)記物γH2Ax的積累增加。

 

　　本研究進(jìn)一步系統(tǒng)探究了PsDMAP1/PsTIP60介導(dǎo)的H4K16ac是否可以作為信息載體，將大豆疫霉對ROS的脅迫適應(yīng)能力傳遞給后代。為了明確病原菌對殺菌劑脅迫誘導(dǎo)的ROS響應(yīng)的代際效應(yīng)，設(shè)置了兩組試驗(yàn)處理，一組“單次暴露”（除被測世代外，母本從未暴露于嘧菌酯處理），一組“連續(xù)暴露”（每一代均暴露于嘧菌酯處理）。結(jié)果表明，在“連續(xù)暴露”下，大豆疫霉隨著轉(zhuǎn)代的增加，對嘧菌酯的敏感性下降；而在PsDMAP1和PsTIP60敲低突變體中，大豆疫霉對嘧菌酯脅迫的跨代適應(yīng)能力喪失。進(jìn)而，在活體植株條件下模擬了病害循環(huán)過程，即用大豆疫霉侵染大豆幼苗，3天后從感染的大豆幼苗中分離病原菌，并用于連續(xù)接種侵染新的大豆幼苗。發(fā)現(xiàn)隨著侵染世代的增加，大豆疫霉的致病力也逐代增強(qiáng)，但在PsDMAP1和PsTIP60敲低突變體中，這種致病力增強(qiáng)效應(yīng)則被消除。有趣的是，大豆疫霉對殺菌劑脅迫和侵染過程中植物防御反應(yīng)的適應(yīng)之間存在協(xié)同效應(yīng)，相比于離體培養(yǎng)基上培養(yǎng)的大豆疫霉，寄主植物上分離獲得的大豆疫霉對嘧菌酯表現(xiàn)為更加不敏感。

 

　　綜上所述，研究闡明了PsDMAP1/PsTIP60介導(dǎo)的H4K16ac作為重要的表觀遺傳標(biāo)記，調(diào)控了大豆疫霉對ROS脅迫的跨代適應(yīng)性，促進(jìn)大豆疫霉及其后代更好地適應(yīng)植物防御反應(yīng)和殺菌劑脅迫。本研究拓寬了人們對卵菌乃至微生物中表觀遺傳分子機(jī)制的認(rèn)識，對于進(jìn)一步開展以表觀遺傳調(diào)控因子為分子靶標(biāo)的新型卵菌抑制劑的創(chuàng)制具有指導(dǎo)意義。更重要的是，本研究解釋了長久以來微生物研究領(lǐng)域“菌株退化與復(fù)壯”現(xiàn)象背后存在的表觀調(diào)控分子機(jī)制，同時(shí)也為人們理解田間病害發(fā)生和傳播速率的規(guī)律以及抗藥性頻發(fā)的原因提供了新的視角。

 

　　中國農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院博士研究生張凡為論文的第一作者，植物保護(hù)學(xué)院劉西莉教授為通訊作者。青年教師張燦副教授、王治文副教授、苗建強(qiáng)副研究員參與了課題指導(dǎo)，代探副教授、博士研究生陳姍姍以及美國緬因大學(xué)郝建軍副教授等參與了本研究相關(guān)工作。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2023YFD1700700）的資助。