aBIOTECH | 中国科学院分子植物卓越中心段成国团队揭示DNA甲基化介导的棉花黄萎病致病新机制

棉花黄萎病是由土传真菌-大丽轮枝菌引起的一种维管束病害。该病原菌寄主范围广，能侵染200多种植物，尤其在棉花上，由于缺少天然的抗病种质资源，防治难度极大，被喻为棉花“癌症”。利用基因工程手段培育抗病新种质是棉花生产上防治黄萎病的一个主要策略。因此，阐明植物-大丽轮枝菌互作的分子机制对于寻找有效的抗病育种靶标，培育高抗棉花种质至关重要。DNA胞嘧啶5’甲基化（5-mC）是一种非常保守的表观遗传修饰，在动植物生长发育及环境信号响应中发挥着重要的调节作用。但是对于DNA甲基化等表观遗传修饰在植物病原真菌中发挥着什么样的作用，是否参与了致病力的调控，相关研究还非常缺乏。

图1 棉花黄萎病及致病菌大丽轮枝菌DNA甲基化图谱

近日，中国科学院分子植物科学卓越创新中心段成国团队在aBIOTECH上发表了题为“DNA Methylation-dependent Epigenetic Regulation of Verticillium dahliae Virulence in Plants”的研究论文。

在该研究中，作者深入解析了DNA甲基化在大丽轮枝菌中的分布规律及其在黄萎病致病过程中的作用。通过DNA甲基化全基因组测序，比较了大丽轮枝菌不同分离株的DNA甲基化水平，发现在大丽轮枝菌中DNA甲基化水平较低（不到1%），以CG甲基化为主，在不同染色体区域都有分布，尤以重复序列富集程度更高。通过DNA甲基化抑制剂处理及其敲除大丽轮枝菌编码的DNA甲基转移酶，病原真菌的致病性大幅降低，表明DNA甲基化作为正调因子参与了大丽轮枝菌致病力形成的调控。

图2 5-mC调控VdRim15表达影响侵染部位ROS和Ca2+积累促进大丽轮枝菌致病力形成

作者发现DNA甲基化敲低菌株形成侵染钉的能力显著下降，从而影响真菌在植物中的穿透与定殖。通过比较DNA甲基化组与转录组，作者鉴定到若干启动子区富含DNA甲基化的靶基因，其中包括响应胁迫的蛋白激酶VdRim15。DNA甲基化的丢失导致这些基因的表达上调。作者发现DNA甲基化通过负调VdRim15基因的表达，促进侵染钉形成相关基因的表达以及ROS和Ca2+的积累，从而促进真菌在植物中的定殖。有意思的是，作为与5-mC经常存在共定位的另一种异染色质修饰，H3K9me3，也以相同的方式调控VdRim15的表达，促进真菌的侵染与定殖。更重要的是，5-mC和H3K9me3甲基转移酶编码基因在大丽轮枝菌侵染早期被显著诱导上调表达，表明DNA甲基化与H3K9me3稳态的动态调控在大丽轮枝菌侵染早期定殖过程中发挥着重要的调节作用。综上，该研究揭示了5-mC这一保守的表观遗传修饰在病原真菌致病力形成中发挥着重要的调节作用，该发现为棉花抗黄萎病育种提供了有价值的病原靶标。

图3 5-mC与H3K9me3协同调控大丽轮枝菌致病性

该研究得到了中国科学院先导项目和国家自然科学基金等项目的资助。中国科学院分子植物卓越中心的博士生陈韵娅和博士后朱晨（安徽师范大学特聘教授）为本文的共同第一作者。中国科学院分子植物卓越中心段成国研究员为通讯作者。中国科学院分子植物卓越中心助理研究员张英超，博士生刘婷、中国科学院微生物所副研究员赵建华以及齐鲁中科现代微生物技术研究院的高峰博士参与了本研究。

作者简介

段成国，中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员，博士生导师。2008年博士毕业于中国科学院微生物所，2018年入选“国家级海外人才计划”青年项目。主要从事表观遗传与植物-病原互作研究。研究方向包括：植物免疫的表观遗传（非编码RNA、DNA甲基化、组蛋白修饰）塑造机制；植物-病原真菌互作机制及抗病策略开发。近五年以通讯作者在Nat Commun, PNAS, Mol Plant, Cell Rep, New Phytol, JIPB等国际主流期刊发表多篇文章 (ORCID: 0000-0003-0527-5866) 。