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(chǎn)量和品質(zhì)。過去研究已發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(nèi)，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(nóng)業(yè)大學孫文獻教授和汪激揚副教授團隊在《Science Advances》發(fā)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(fā)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(fā)現(xiàn)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(diào)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(xiàn)出更強的抗病性。進一步研究發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)，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(nèi)。

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(yǎng)物中時，UvSfkl的表達顯著下降，真菌產(chǎn)孢能力也受到抑制。而敲除UvSfkl基因后，稻曲病菌的產(chǎn)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(nèi)，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(fā)現(xiàn)，效應蛋白SCRE2與OsRNS4的相互作用特異性地發(fā)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(nèi)實驗中，表達SCRE2的水稻原生質(zhì)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(chǎn)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(nóng)業(yè)大學為論文第一完成單位，已畢業(yè)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(fā)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(nóng)業(yè)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(fā)計劃項目與農(nóng)林生物安全全國重點實驗室聯(lián)合攻關等項目的資助。

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