大豆疫霉菌胞内效应因子CRN63的毒性作用机制

Phytophthora, similar to pathogenic bacteria and fungi, can secrete effectors to actively interfere with plant immune system. Effector protein CRN63, which can induce plant cell death, is essential for P. sojae pathogenicity. However, it is unclear how CRN63 manipulates plant innate immunity to promote infection. We previously have shown that CRN63 can associate with plant catalase(CAT). In this research, we aim at understanding the mechanism on how CRN63 functions in virulence by regulating plant H2O2 metabolism and interfering with CAT activity, protein stability and subcellular localization. Meanwhile, we attempt to reveal the function of plant CAT in CRN63 cell death-inducing activity and plant resistance, by silencing and overexpressing of CAT gene in Nicotiana benthamiana. Based on the analyses above, we aim to uncover the relationship between P. sojae effector CRN63, plant CAT and H2O2 homeostasis,and elucidate the mechanisms underlying virulence activity of this effector. The results will aid the understanding of oomycete pathogenesis.

疫霉菌与病原细菌和真菌类似，能分泌效应因子干扰寄主植物的免疫反应。CRN63是大豆疫霉菌侵染必需的一个胞内效应因子，它具有诱导寄主植物细胞死亡的活性，然而，目前尚不清楚CRN63的毒性作用机制。申请人的前期研究表明，该效应因子能与寄主植物的过氧化氢酶 (catalase，CAT) 互作。本项目拟通过检测CRN63对植物H2O2积累的影响，明确该效应因子对植物活性氧的调控作用；通过分析效应因子CRN63对植物CAT酶活、蛋白质稳定性和蛋白质定位的影响，揭示其对CAT的调控机制；以本氏烟作为材料，通过基因沉默和过表达两种方法，研究CAT对CRN63细胞死亡诱导活性和抗病性的影响。综合以上结果，期望阐明大豆疫霉菌效应因子CRN63、寄主H2O2平衡以及CAT三者之间的关系，解析该效应因子的毒性作用机制，从而进一步深入对卵菌致病机制的认识。

以大豆疫霉CRN效应子作为切入点，探讨效应子在疫霉菌致病中的作用和机制。旨在通过本项目的开展提升对卵菌病害致病机制的认识，并为利用抗病基因工程策略提高植物抗病性提供理论依据。经过三年的努力，取得了如下重要研究进展：.1) 明确了大豆疫霉效应子PsCRN63和PsCRN115对植物H2O2积累的影响。我们发现PsCRN63效应子可以促进植物中H2O2的积累，而PsCRN115效应子抑制该过程，表明这两个效应子可以通过调控植物H2O2积累而调控细胞死亡过程。.2) 鉴定到大豆疫霉PsCRN63和PsCRN115效应子在植物中的互作蛋白并明确了其作用机制。发现这两个效应子在植物细胞核与catalase互作。PsCRN63可以降低植物catalase的蛋白质稳定性，而PsCRN115抑制该过程，说明这两个效应子可以通过调控catalase的蛋白质稳定性干扰其活性，从而影响植物H2O2的代谢。.3) 明确了catalase在植物抗病和细胞死亡调控中的作用。在本氏烟中沉默catalase基因显著降低了其对辣椒疫霉的抗性，表明catalase正调控植物对疫霉菌的抗性。在本氏烟中过表达catalase抑制大豆疫霉PsCRN63诱导的细胞死亡，表明catalase参与到植物细胞死亡过程的调控。.4) 发现PsCRN63可以通过形成二聚体形式抑制植物免疫反应。PsCRN63效应子可以以首尾连接的方式形成二聚体，抑制病原相关分子模式诱导的免疫反应。.5) 解析了大豆疫霉PsCRN108效应子的毒性功能和作用机制。首次报道疫霉菌CRN效应子具有DNA结合活性，并证明其可以通过结合热激蛋白基因启动子影响其转录，从而干扰植物的免疫反应。.6) 明确了大豆疫霉PsCRN70的毒性功能。发现该效应子具有广泛的细胞死亡抑制活性并且可以抑制植物的免疫反应。.7) 鉴定了3个具有抗病育种潜力的大豆疫霉CRN效应子。发现在植物中表达可以显著的提高植物对疫霉菌的抗性，并且提高了对非生物胁迫的耐受性，为抗病育种提供了新思路和基因资源。. 受本项目资助，在《PLoS Pathogens》、《Plant Physiology》、《Plant & Cell Physiology》和《Scientific Reports》等期刊发表论文7篇。