水稻是我國重要的糧食作物，稻曲病是水稻三大病害之一，不僅造成稻米產量損失，更重要的是稻曲球中的稻麴菌素的毒性和致畸作用，給人畜健康帶來嚴重威脅。病原菌對植物的侵襲是由病原菌的毒力和植物免疫系統相互作用決定的。深入研究這種複雜的互作過程，對全面理解細菌如何引起植物病害以及植物如何保護自己免受病原菌侵染至關重要。
蛋白翻譯後修飾（PTMs）在病原菌與植物互作過程中起關鍵作用。最新研究發現，組蛋白賴氨酸2-羥基異丁醯化(Khib)修飾是擬南芥、水稻、菸草等多種植物中保守的表觀基因組標記，參與植物對暗誘導飢餓脅迫的適應性。然而Khib修飾在植物響應生物脅迫中的作用還不清楚；特別是，病原菌侵染植物是否與Khib修飾有關聯，進而如何調控基因表達和植物防禦反應，仍有待進一步探索。
近日，華中農業大學植物科學技術學院黃俊斌教授課題組在植物學領域著名期刊Journal of Integrative Plant Biology（IF=7.061）先後發表了題為“Comprehensive identification of lysine 2-hydroxyisobutyrylated proteins in Ustilaginoidea virens reveals the involvement of lysine 2-hydroxyisobutyrylation in fungal virulence”和“Ustilaginoidea virens modulates lysine 2-hydroxyisobutyrylation in rice flowers during infection”的研究論文。首次系統鑑定了水稻花器、稻麴菌中Khib修飾蛋白，從宿主、病原菌兩個不同角度分別探索Khib修飾在病原菌侵染過程中的動態變化，揭示了Khib在水稻重要病原稻麴菌致病中的調控機制。景傑生物為該研究提供特異性二羥基異丁醯化泛抗體及修飾組學技術支援。
[ Khib修飾調控稻麴菌致病力 ]
Khib修飾在真核和原核生物中廣泛存在，但在植物病原體研究中仍存在許多未知。研究人員首先運用Khib修飾泛抗體對稻麴菌、稻瘟菌、小麥赤黴菌、炭疽菌等植物病原真菌進行WB實驗，證實Khib修飾廣泛存在於植物病原真菌中，且修飾位點豐富。隨後使用基於TMT的定量蛋白質組學方法（質譜策略）對水稻假黑穗病真菌（Ustilaginoidea virens）（樣本策略）中的Khib進行了全面評估，研究鑑定到977個Khib修飾蛋白上的3,426個Khib修飾位點。除組蛋白外，Khib修飾還廣泛分佈在細胞核、細胞質、線粒體等不同細胞結構的非組蛋白上。Khib修飾蛋白參與了多種生物學過程，如代謝、糖酵解、糖異生等，部分Khib修飾蛋白還與毒力和應激反應相關的蛋白高度相關，包括 MAPK途徑、核糖體結構組分、翻譯起始因子、細胞自噬和 Septin蛋白等。
圖1 稻麴菌中2-羥基異丁醯化蛋白的表徵及功能註釋
研究發現侵染過程稻麴菌中Khib修飾水平上調，並進一步揭示了Khib介導的真菌毒力新機制。UvRpd3蛋白可去除U. virens中的2-羥基異丁醯化和乙醯化，而UvRpd3的結合蛋白UvSlt2的Khib位點的突變，可透過增加疏水性溶劑表面積降低UvSlt2酶及其底物之間的結合，顯著降低真菌毒力。總之該發現首次報道了Khib修飾在病原菌U. virens的重要作用，並指出Khib修飾參與調控植物病原真菌致病力。
圖2 UvRpd3可去除U. virens中的2-羥基異丁醯化和乙醯化
[ 稻曲病菌調控水稻Khib修飾抑制水稻免疫反應 ]
病原菌與植物互作過程中，寄主植物可透過蛋白質翻譯後修飾（PTMs）調控基因轉錄、染色質動態結構、蛋白質穩定性、細胞定位等，進而調節細胞代謝過程。該研究使用TMT定量蛋白組學技術（質譜策略）對稻曲病菌侵染的水稻花器（樣本策略）進行系統分析，研究共鑑定到964個Khib修飾蛋白上的2891個Khib修飾位點。其中Khib修飾蛋白定位於細胞核、細胞質、線粒體等多個細胞器中。代謝通路富集分析發現Khib修飾蛋白廣泛參與代謝、糖酵解/糖異生等多個生物學過程。
圖為水稻花器中的Khib分析
進一步研究發現，稻曲病菌侵染水稻花器後導致大多數蛋白的Khib位點修飾水平顯著降低，其中包括H3K23hib、H3K56hib、H3K79hib、H3K122hib等多個H3組蛋白修飾位點。ChIP-PCR和RT-qPCR分析顯示組蛋白Khib修飾水平下降導致受侵染花器中抗性相關基因轉錄水平顯著下降。透過體外、體內酶活試驗發現，水稻組蛋白去乙醯化酶HDA705、HDA716、SRT1和SRT2具有去Khib修飾活性；其中，組蛋白去乙醯化酶HDA705可以負調控水稻的免疫反應，HDA705敲除突變體對水稻主要病原菌稻麴菌、稻瘟菌和水稻白葉枯具有廣譜抗性。因此，該研究揭示了稻曲病菌在侵染過程中可透過改變水稻Khib修飾水平抑制寄主抗病基因表達，從而削弱水稻的防禦反應。上述發現為我們深入理解植物病原真菌的致病機制提供了新的認識。
圖為稻曲病菌調控水稻Khib修飾削弱寄主防禦反應
小結：植物的病原宿主互作常以植物、或病原菌為主要研究物件，這兩篇研究針對稻曲病菌的侵染過程，分別從稻曲病菌、水稻花器兩個角度進行分析，揭示了二羥基異丁醯化在植物和病原菌互作的重要調控作用：Khib調控植物病原真菌致病力，同時透過改變水稻Khib修飾水平抑制寄主抗病基因表達，從而削弱水稻的防禦反應。為研究其他多種植物和病原菌與共生菌的互作提供了一個很好的參考思路。
研究也證實了二羥基異丁醯化與植物的非生物逆境脅迫、生物脅迫都密切相關，為後續植物病害防控研究提供了參考。研究也啟發我們，新型的PTM型別尤其賴氨酸乙醯化，巴豆醯化、琥珀醯化等醯化修飾型別，在植物非生物脅迫/生物脅迫領域都有諸多報道，可能對植物的發病機制有未知的影響。同時PTMs之間存在明顯的相互作用Crosstalk，因此不同PTMs介導的調控網路也將為植物病原菌的生物學和侵染研究提供新的思路。
