近日，華中農業大學農業微生物資源發掘與利用全國重點實驗室、湖北洪山實驗室、植物科學技術學院姜道宏教授領銜的作物病害生物防控理論與應用基礎團隊在《Molecular Plant》期刊上在線發表題為“An enhancer-promoter-transcription factor module orchestrates plant immune homeostasis by constraining camalexin biosynthesis”的研究論文，揭示了“增強子-啟動子-轉錄因子”模塊通過限制植物植保素亞麻薺素Camalexin的積累來協調植物免疫穩態的機制，突出了增強子在微調植物免疫基因表達中的重要性和保守作用，也進一步填補了對轉錄因子調控植物免疫基因表達機制的理解空白。本研究中通過編輯植物免疫基因表達調控模塊進而增強植物抗病性這一成果的實現，為作物抗病遺傳改良提供了切實基礎。

文章標題

植物主要依靠先天免疫系統來抵御有害微生物的入侵。這一系統中的模式識別受體位于細胞表面，能夠識別病原相關分子模式或來源于寄主的損傷相關分子模式，從而觸發快速的免疫反應和表達譜變化。同時，植物生長和防御之間存在此消彼長的權衡效應，因此真核細胞中免疫基因的表達適時受轉錄水平的嚴格調控，而這一過程由多種順式和反式作用因子共同調節。增強子作為調節基因時空表達的關鍵順式調控模塊，參與了多種生物進程。然而，目前增強子調控植物先天免疫的分子機制還知之甚少。

圖1 “增強子-啟動子-轉錄因子” 模塊調控亞麻薺素合成和對真菌抗性的模型

研究團隊在前期通過全基因組范圍的分析在擬南芥中篩選出多個CORE PATTERN-INDUCED ENHANCER （CPIE），它們受到免疫信號的顯著激活。然而，這些增強子在調節植物先天免疫中的具體作用機制還有待進一步探索。研究發現，在免疫激活過程中，增強子CPIE35快速并持續地引發自身染色質和增強子RNA的動態變化從而實現從靜態到激活狀態的轉換和維持。CPIE35能夠抑制真菌誘導的亞麻薺素合成相關基因PAD3和GSTU4的轉錄。敲除CPIE35導致擬南芥中灰霉菌誘導的亞麻薺素的產量顯著增加， 進而提高了cpie35突變體對病原真菌核盤菌和灰霉菌的抗性。

圖2 CPIE35強化WRKY15對亞麻薺素合成和植物抵御真菌抗性的抑制

進一步探究發現，CPIE35位于轉錄因子WRKY15的上游，與WRKY15的啟動子緊密接近并發生相互作用。在病原真菌入侵的過程中，CPIE35與WRKY15啟動子的互作狀態隨染色質動態變化而改變，從而調控WRKY15的轉錄。研究團隊通過多種技術證明了WRKY15作為一個植物免疫“剎車”基因，能夠直接與PAD3和GSTU4的啟動子結合，抑制它們的表達，導致camalexin合成減少和對真菌的抗性降低。此外，分析發現CPIE35能夠招募轉錄因子WRKY18/WRKY40/WRKY60、MYC2和WRKY33。這些轉錄因子在CPIE35及WRKY15啟動子上的結合，對CPIE35-WRKY15模塊的互作及功能至關重要。

編輯CPIE35或WRKY15的序列均能顯著提升植物對病原真菌的抗性，而未引起過度免疫反應或生長缺陷，這為發掘和創制作物抗真菌病害資源提供了思路。遺傳進化分析發現，CPIE35主要存在于十字花科植物中。通過在甘藍型油菜中編輯BnWRKY15的序列，顯著提高了對核盤菌的抗性。這暗示CPIE35-WRKY15模塊在其他物種中可能具有保守的功能，這為進一步發掘其應用潛力提供了廣闊的探索領域。

圖3 CPIE35和WRKY15的序列及功能保守

農業微生物資源發掘與利用全國重點實驗室、湖北洪山實驗室、植物科學技術學院姜道宏教授和于曉教授為論文的共同通訊作者。植物科學技術學院章穎博士為論文的第一作者。華中農業大學李博教授、謝甲濤教授、程家森教授、付艷蘋教授和陳偉教授，以及中國農業科學院油料作物研究所油料作物基因組學與抗病性改良團隊劉立江副研究員和張益參與了該項研究工作。植物科學技術學院張祖新教授、Kenichi Tsuda教授、謝卡斌教授，以及中山大學的李劍峰教授，南京農業大學的王一鳴教授和上海師范大學的孟祥宗教授為相關研究提供實驗材料和技術指導。該研究得到了國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費、國家自然科學基金重點項目和油菜產業技術體系等項目資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.molp.2024.12.002