Adv Sci丨中山大学张玉婵研究发现S lncRNAs可作为增强作物抗性且不损害生长的新型靶位点

摘要：水稻作为全球最主要的粮食作物之一，其主要受到白叶枯病、稻瘟病和细菌性条斑病等各种病害的影响，导致重大的经济损失。深入了解病原菌感染背后的分子机制，以及识别决定宿主易感性或抗性的因素，对于提高作物抗逆能力、稳定农业生产和保障粮食安全具有重要科学意义和现实价值。近

水稻作为全球最主要的粮食作物之一，其主要受到白叶枯病、稻瘟病和细菌性条斑病等各种病害的影响，导致重大的经济损失。深入了解病原菌感染背后的分子机制，以及识别决定宿主易感性或抗性的因素，对于提高作物抗逆能力、稳定农业生产和保障粮食安全具有重要科学意义和现实价值。近年来，植物长链非编码RNA（lncRNA）研究迅速发展，揭示其在调控生长发育、环境适应、表观遗传和抗逆性等方面发挥重要作用。然而，关于易感lncRNA（S lncRNA）作为新的靶点，在不影响生长的情况下实现作物广谱抗性调控中的分子功能，目前尚缺乏相关研究报道。

近日，中山大学生命科学学院张玉婵教授团队在Advanced Science上在线发表了题为“Gene Editing of a Susceptibility lncRNA Enhances Broad-Spectrum Disease Resistance in Rice without Developmental Trade-Offs”的研究性论文。该研究揭示水稻在被病原体入侵后，长链非编码RNA RESIS被其启动子上的效应器结合元件激活，随后与NatA复合物的两个核心成分NAA15和NAA10结合并增强NatA复合物在蛋白质N端乙酰化中的活性，促进病原菌侵染进程。而RESIS敲除则抑制了这一过程，并在病原体入侵期间增强翻译水平，对真菌和细菌疾病产生抗性，并且而没有通常与NatA复合物直接敲除/敲低相关的生长抑制。这些发现凸显了易感lncRNA（S lncRNA）作为提高作物广谱疾病抗性靶点，特别是在改善作物抗性与保持生长平衡方面的潜力，为实际应用提供了巨大的前景。

研究团队通过分析粳稻、籼稻和普通野生稻的转录组数据，并结合白叶枯侵染下的转录组数据，发现了一个高度保守且在白叶枯侵染下显著上调程度最高的lncRNA。该lncRNA T-DNA插入失活突变体表现出较高的白叶枯抗性，因此，将该lncRNA命名为RESIS (REsponsIve to Xoo and conServed)。进一步对构建的RESIS过表达（RESIS-OE）和敲除突变体（resis）的白叶枯侵染实验表明，RESIS-OE株系具有显著的易感性，而resis株系则表现出明显的抗病性，提示RESIS促进病原菌对水稻的侵染进程。通过对突变体植株的农艺性状进行观察并统计，发现RESIS的敲除并不会影响植株的单株产量、千粒重和株型等农艺性状，并且RESIS的敲除挽救了因白叶枯侵染导致的水稻产量显著降低。同时，resis突变株还表现出对细菌性条斑病和稻瘟病的良好抗性，这突显了lncRNA RESIS作为有希望的易感性靶点，在实现水稻广谱抗性的同时不影响其他农艺性状。

图2：RESIS突变株表型分析

通过RNA pulldown和RNA TurboID实验，研究团队鉴定出RESIS的特异性结合蛋白NAA15和NAA10，并通过RIP和TriFC实验进一步验证了RESIS与二者的相互作用。NAA15和NAA10是NatA复合体的核心成员，NatA复合物是一种N末端乙酰化修饰(N-terminal acetylation)关键复合物，修饰比例在高等动植物蛋白质组中高达40%以上。NatA介导N末端乙酰化修饰，在调控水稻生长发育和响应非生物胁迫过程中发挥着重要作用。NatA复合物对于植物的生长发育和应激反应至关重要。与前人的研究结果一致，NAA15和NAA10的基因纯合敲除植株无法获得，通过对NAA15-RNAi和NAA10-RNAi的表型观察，植株生长受到显著抑制，影响了株高和穗长，与对照植株相比，其穗分枝数、粒数以及单株产量均显著降低，这表明NAA15和NAA10在维持水稻生长发育和产量方面起着关键作用。进一步对转基因植株的白叶枯病抗性进行观察统计，经PXO99A处理后，NAA15-RNAi和NAA10-RNAi植株对白叶枯表现出显著抗性。进一步对NAA15-RNAi和NAA10-RNAi植株也进行了稻瘟病和细菌性条斑病侵染试验，发现两个突变体的植株对两种病害的抗性显著提高。这些结果表明，NAA15和NAA10在病原体侵染期间的功能类似于 RESIS。RESIS可能通过其对二者的影响来调节植株对病原菌的抗性。进一步对RESIS与NAA15和NAA10之间调控关系进行研究。发现RESIS在驯化过程中进化出一个特定的结构域，该结构域引导NAA10与NAA15结合，并催化参与核糖体组装和翻译途径的蛋白质的N端乙酰化，进而在抗病过程中发挥作用。由于NAA15或NAA10敲低所增强的抗性会导致发育缺陷和产量损失，其基因本身不合适作为一个增强作物抗病性的靶点，然而靶向RESIS避免了上述不利因素，在实际应用中具有巨大潜力。