水稻OsTOPB1c通过转录依赖性功能转换调控免疫的分子机制

作者及机构
本研究由Quanlin Li（中国农业大学植物保护学院）、Yanfeng Jia（中国科学院遗传与发育生物学研究所）、Chunrong Li（中国科学院遗传与发育生物学研究所）等合作完成，通讯作者为Quanlin Li、Wenxue Zhai和Yongli Zhou。研究发表于期刊*Plant Communications*， manuscript编号为plant-communications-d-25-01191。

学术背景

科学领域与背景
水稻白叶枯病（Bacterial Blight, BB）由病原菌*Xanthomonas oryzae pv. oryzae*（Xoo）引起，是威胁全球水稻生产的重要病害。Xoo通过分泌转录激活样效应子（Transcription Activator-Like Effectors, TALEs）劫持宿主转录机制，激活感病基因或抑制抗病基因。然而，TALEs如何通过调控宿主核内多功能蛋白的功能转换以抑制免疫的机制尚不明确。

研究目标
本研究旨在揭示水稻免疫调控因子OsTOPB1c（Topoisomerase II-Beta-Binding Protein 1c）在Xoo感染中的双重功能：一方面参与DNA修复以维持基因组稳定性，另一方面作为转录共抑制子调控水杨酸（Salicylic Acid, SA）介导的防御反应。研究重点解析了Xoo效应子TALdr22GIV通过干扰OsTOPB1c的转录调控功能促进病害的分子机制。

研究流程与方法

1. 抗性基因筛选与关联分析

• 对象与样本：189份水稻种质资源，接种Xoo强毒株GIV，通过全基因组关联分析（GWAS）定位抗性位点。
  
• 方法：
  
  • 表型分析：测定病斑长度和病原菌增殖量。
    
  • GWAS：基于3,412,912个SNP，使用EMMAX模型分析，发现染色体3上325 kb区间（含OsTOPB1c基因）与抗性显著相关。
    
• 关键结果：OsTOPB1c启动子区域的SNP（rs10685673）与抗性高度关联（P=9.31×10⁻¹⁰）。
  

2. OsTOPB1c功能验证

• 基因编辑与过表达：
  
  • 构建6个OsTOPB1c敲除突变体（CRISPR-Cpf1系统）和32个过表达株系。
    
  • 接种Xoo后，突变体病斑长度增加30-46%，过表达株系抗性增强。
    
• 免疫表型分析：
  
  • ROS检测：突变体中flg22诱导的活性氧（ROS）爆发减弱，但MAPK信号增强。
    
  • 病原菌增殖：突变体内Xoo菌量增加10倍。
    

3. 效应子TALdr22GIV的作用机制

• 效应子特性：
  
  • TALdr22GIV缺乏转录激活域（AD），属于干扰型TALE（iTALE），核定位验证通过GFP标记。
    
  • 酵母单杂交（Y1H）和电泳迁移率变动分析（EMSA）证实其结合OsTOPB1c启动子的EBE1元件。
    
• 转录干扰：
  
  • 双荧光素酶报告系统显示，TALdr22GIV抑制OsTOPB1c转录，而TALae73GIV（激活型TALE）通过EBE2激活转录。
    
  • 竞争实验表明TALdr22GIV缓冲TALae73GIV的激活作用。
    

4. OsTOPB1c与OsSOG1/OsMYC2的互作网络

• DNA修复功能：
  
  • Xoo感染后，突变体中DNA双链断裂标志物γH2AX积累增强，显示OsTOPB1c参与修复。
    
  • OsSOG1（水稻p53同源蛋白）直接激活OsTOPB1c转录，但OsTOPB1c通过BRCT结构域与OsSOG1互作形成负反馈环路。
    
• 转录调控功能：
  
  • OsTOPB1c作为OsMYC2的共抑制子，抑制OsSAH3（SA降解酶）表达，从而提升SA水平。
    
  • 竞争结合实验表明，低浓度OsTOPB1c优先结合OsMYC2而非OsSOG1，促进SA防御。
    

5. 自然变异与育种潜力

• 单倍型分析：
  
  • 启动子SNP（rs3_10752279）定义三种单倍型（Hap1-Hap3），Hap1/Hap2品种抗性显著优于Hap3。
    
  • 转基因互补实验证实Hap2启动子驱动更高OsTOPB1c表达，抗性最强。
    

主要结果与逻辑链条

1. GWAS定位：OsTOPB1c启动子SNP与抗性关联，提示其转录调控重要性。
   
2. 功能缺失/获得：突变体感病性增强，过表达株系抗性提升，证实OsTOPB1c正向调控免疫。
   
3. 效应子劫持机制：TALdr22GIV通过抑制OsTOPB1c转录，将其功能锁定于DNA修复，削弱免疫应答。
   
4. 双重功能解析：
   
   • 修复功能：OsTOPB1c-OsSOG1互作维持基因组稳定性。
     
   • 转录功能：OsTOPB1c-OsMYC2模块抑制OsSAH3，激活SA通路。
     
5. 自然选择证据：抗性单倍型（Hap1/Hap2）在Aus亚群中受选择，为育种提供靶点。
   

结论与价值

1. 科学意义：
   
   • 首次揭示病原效应子通过功能转换（转录调控→DNA修复）抑制宿主免疫的新机制。
     
   • 阐明OsTOPB1c作为核内“多功能开关”整合DNA损伤响应与SA信号通路的分子框架。
     
2. 应用潜力：
   
   • Hap2单倍型可作为分子标记培育广谱抗病品种。
     
   • 靶向TALdr22GIV的EBE1编辑策略或增强水稻抗性。
     

研究亮点

1. 创新发现：
   
   • iTALE（TALdr22GIV）通过竞争性结合启动子干扰宿主转录调控。
     
   • OsTOPB1c的功能转换是植物-病原共进化中的新型免疫调控节点。
     
2. 方法学创新：
   
   • 结合GWAS、CRISPR编辑、单倍型互补及时间分辨转录组，多维度解析基因功能。
     
3. 理论拓展：
   
   • 提出“核内过程重编程”模型，为植物抗病育种提供新视角。
     

其他价值
研究数据已公开于GEO（GSE189719）和NCBI（CP092379.1），为后续机制研究提供资源。