疫霉菌RxLR-Nudix类效应分子抑制植物免疫的分子机制

In the identification of a new Avirulence effector PsAvr3b of Phytophthora sojae, we first discovered a unique class of RxLR effectors containing Nudix motif, which could suppress plant immunity, and only exist in Phytophthora genus. In this project, basing on the genomic sequences of more than 30 Phytophthora species and some other organisms, we will study the distrubution,origination, and evolution of this RxLR-Nudix effector family by bioinformatic analysis; testing their virulence function in inhibiting plant immunity by expressing effectors in plant tissue; elucidating their contribution of these effectors to the pathogenicity of different Phytophthora species by gene silencing; identification of their molecular targets in plant cell, and testing the modification of effectors to their target proteins, determining the protein structure of effectors, and elucidating the mechnism by which these effectors bind their targets and interfer with plant immunity. The results will provide new knowledge to understand how Phytophthora suppress plant immunity by RxLR effectors, help to understand the molecular mechnism of plant resistance to Phytophthora, and will provide theoretical guidance to the utilizaiton and modification of plant resistance to control Phytophthora plant disease.

在鉴定一个新的大豆疫霉无毒效应分子PsAvr3b的过程中，我们首次发现疫霉菌基因组存在一类独特的能够抑制植物免疫反应的含有RxLR-Nudix基序的效应分子家族。本项目将通过对测序的约30种疫霉菌和其它物种的Nudix序列进行系统的生物信息学分析，了解RxLR-Nudix类效应分子的分布、起源以及进化过程；通过植物体内表达效应分子，分析不同RxLR-Nudix类效应分子在抑制植物免疫反应中的作用；通过对疫霉菌中效应分子的基因沉默，研究其对疫霉菌致病性的作用；通过筛选效应分子在寄主细胞内的分子靶标，研究效应分子对靶标蛋白的修饰作用，分析它们如何与植物靶标结合、如何抑制植物抗病反应，并对其结构特征进行解析。研究结果将为认识疫霉菌如何通过效应分子抑制植物免疫提供新的知识，有助于从分子水平上认识植物对疫霉菌的抗性机制，为合理利用植物抗病性、通过基因工程改良植物对疫霉菌的抗病性提供理论指导。

项目以揭示疫霉菌RxLR-Nudix类效应分子抑制植物免疫的分子机制为目标，开展了RxLR-Nudix类效应分子的分布与进化分析、毒性功能鉴定、分子靶标蛋白筛选、与靶标蛋白互作模式研究、晶体结构解析等方面研究工作，鉴定了PsAvr3b、Avh262等疫霉菌侵染过程中分泌的关键致病因子，解析了效应分子抑制植物抗病性的分子靶标及作用机制，获得了GmCYP1、GmMAPK13、GmBIP等大豆抗病相关基因，明确了PsAvr3b等效应分子的晶体结构及其逃避寄主识别的分子机制，为遗传改良持久利用抗病基因奠定理论基础。在Science、Nature Communications、PLoS Pathogens、Plant Cell、Current Opinion in Microbiology等权威学术期刊发表论文13篇。主要研究成果如下：（一）发现RxLR-Nudix类效应分子PsAvr3b是疫霉菌的关键致病因子。疫霉菌侵染植物的过程中，PsAvr3b被分泌进入寄主细胞，并利用细胞中的顺反异构酶cyclophilin对PsAvr3b蛋白进行加工，进而发挥其毒性作用。该研究结果揭示了病原菌利用寄主的蛋白折叠修饰系统激活自身致病因子活性的一种新机制，为病害防控策略的设计提供了重要理论基础。（二）发现大豆疫霉在侵染过程中分泌效应分子Avh262进入寄主植物细胞，通过结合并稳定植物内质网中的重要分子伴侣元件BiP，抑制内质网压力介导的植物抗病反应。该研究结果揭示了病原菌通过干扰内质网压力监控系统来调控寄主抗病过程的新机制，是微生物致病及植物抗病机理研究的重要进展。（三）发现大豆疫霉分泌的效应分子Avh240进入寄主植物细胞后以二聚体的形式定位在细胞膜上，通过结合大豆中的天冬氨酸蛋白酶GmAP1，特异性的抑制GmAP1分泌到植物质外体发挥抗病功能，最终促进病原菌的侵染。该成果揭示了疫霉菌破坏植物质外体免疫的新策略，该研究还发现大豆天冬氨酸蛋白酶对不同疫霉菌均表现出抗病效果，为改良作物广谱抗性提供新的基因资源。