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生命科学

Life science

2022年8月16日，中国农业科学院植物保护研究所宁约瑟团队和作物科学研究所夏兰琴团队合作，在Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports上发表了题为“A VQ-motif-containing protein fine-tunes rice immunity and growth by a hierarchical regulatory mechanism”的研究论文。该研究报道了VQ蛋白OsVQ25通过OsPUB73-OsVQ25-OsWRKY53层级调节机制平衡水稻广谱抗病性和生长的分子机制。如图1所示。

中国农业科学院植物保护研究所博士研究生郝泽芸、中国农业科学院作物科学研究所博士研究生田金福、中国农业科学院植物保护研究所方红博士为论文的共同第一作者，宁约瑟研究员与夏兰琴研究员为论文共同通讯作者。

图1. OsVQ25 平衡水稻抗病性和生长的分子机制

水稻是我国重要的粮食作物，由稻瘟菌（Magnaporthe oryzae）和白叶枯菌（Xanthomonas oryzae pv. oryzae）侵染引起的稻瘟病和白叶枯病是严重影响水稻生产的重要真菌性和细菌性病害。挖掘水稻广谱抗病功能基因并解析其分子机制，对培育水稻抗病新品种和开发病害防控新策略具有重要意义。缬氨酸-谷氨酰胺（Valine-glutamine, VQ）蛋白是一类含有保守VQ基序（FxxhVQxhTG）结构的蛋白家族。已有研究表明VQ蛋白在植物免疫反应中发挥重要作用，然而VQ蛋白调控植物抗病的分子机制还不清楚。近日，中国农业科学院植物保护研究所宁约瑟组与作物科学研究所夏兰琴组合作发现水稻OsVQ25蛋白与U-box类型E3泛素连接酶OsPUB73和转录因子OsWRKY53相互作用平衡水稻广谱抗病性和生长的分子机制（图1）。

本研究发现，在稻瘟菌侵染水稻后OsPUB73基因的表达量显著被诱导（图2A）。接菌结果表明，ospub73敲除突变体材料相较于野生型削弱了对稻瘟菌和白叶枯菌的抗病性（图2B-F）。另外，防御相关基因OsPBZ1、WRKY45及OsPR1在ospub73敲除突变体材料中的表达量更低（图2G-I）。表明OsPUB73是水稻广谱抗病性的正调控因子。

图2. ospub73敲除突变体材料削弱了对稻瘟菌和白叶枯菌的抗病性

通过免疫沉淀-液相色谱串联质谱法（IP-MS）鉴定发现，OsVQ25为OsPUB73的候选互作蛋白。荧光素酶互补试验、双分子荧光互补试验及免疫共沉淀试验表明OsVQ25与OsPUB73在体内存在特异性相互作用（图3A-C）。进一步研究发现OsPUB73通过26S蛋白酶体途径促进OsVQ25的降解（图3D）。

图3. OsPUB73与OsVQ25互作并促进OsVQ25蛋白的降解

遗传分析表明，敲除OsVQ25能够增强水稻对稻瘟菌及白叶枯菌的广谱抗性，并上调防御相关基因OsPBZ1、WRKY45及OsPR1的表达水平，表明OsVQ25负调控水稻的广谱抗病性（图4）。重要的是，敲除OsVQ25不影响水稻的主要农艺性状（图5），说明OsVQ25有望成为水稻抗病性改良的候选基因。

图4. osvq25敲除突变体材料增强了对稻瘟菌和白叶枯菌的抗病性

图5. osvq25敲除突变体材料的主要农艺性状分析

通过STRING数据库（https://string-db.org）分析发现，OsWRKY53为OsVQ25的候选互作蛋白。进一步蛋白-蛋白互作试验表明OsVQ25与转录因子OsWRKY53在体内存在特异性相互作用（图6A-C）。OsWRKY53为水稻抗病及油菜素内酯（BR）信号通路的正调控因子。转录活性试验表明，OsVQ25能够抑制OsWRKY53的转录活性（图6D-E）。进一步研究发现，osvq25敲除突变体材料中OsWRKY53所调控的下游防卫相关基因及BR信号通路基因表达上调（图6F-I），这些基因的适度上调可能增强水稻抗病性的同时维持了水稻正常的生长发育。

图6. OsVQ25与OsWRKY53相互作用并抑制OsWRKY53的转录活性

综上，本研究揭示了OsPUB73-OsVQ25-OsWRKY53模块平衡水稻广谱抗病性和生长的层级调控机制，为培育广谱抗病水稻品种提供了重要理论基础和候选基因。

该研究得到国家自然科学基金（32161143009，31822041，31972225和U20A2021），国家自然科学基金重大专项研究计划（3218810004）等项目的资助。

作者介绍

宁约瑟

研究员

宁约瑟，中国农业科学院植物保护研究所研究员，博士生导师。中国农业科学院“农科英才”领军人才，国家自然科学基金优秀青年基金获得者，入选中国科协“青年人才托举工程”，获得农业农村部“杰出青年农业科学家”、中国农学会“青年科技奖”和中国植物病理学会“青年植物病理学家奖”。

研究兴趣：稻瘟菌与水稻互作分子机制；泛素化介导的水稻抗病分子机制；广谱抗病新基因挖掘及抗病新种质创制。

夏兰琴

研究员

夏兰琴，中国农业科学院作物科学研究所研究员，博士生导师。中国农业科学院作物精准育种创新团队首席、农业农村部基因编辑创新利用重点实验室（海南）常务副主任，中国农业科学院“农科英才”领军人才，现任中国植物生理学与分子生物学学会-植物生物技术分会副会长、女科学家分会委员、中国遗传学会基因编辑分会委员。

研究兴趣：农作物基因编辑新技术、新方法和新种质创制；小麦重要农艺性状形成的分子机制解析；RNAi 介导的小麦抗蚜虫基因工程。

郝泽芸

博士研究生

郝泽芸，中国农业科学院植物保护研究所在读博士生。

研究兴趣、领域：利用生物化学及分子生物学技术研究泛素化介导的水稻抗病分子机制。

田金福

博士研究生

田金福，中国农业科学院作物科学研究所在读博士生。

研究兴趣、领域：利用基因编辑、生物信息学和分子生物学技术，挖掘农作物重要优异基因，并探究其调控网络，促进作物精准育种。

方红

博士

方红，湖南农业大学与中国农业科学院植物保护研究所联合培养博士，现就职于云南师范大学

研究兴趣、领域：利用生物化学及分子生物学技术以及多组学技术，研究水稻与稻瘟菌互作分子机制。

相关论文信息

论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下期刊Cell Reports上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

A VQ-motif-containing protein fine-tunes rice immunity and growth by a hierarchical regulatory mechanism

▌论文网址：

https://www.cell.com/cell-reports/fulltext/S2211-1247(22)01052-X

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.celrep.2022.111235

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