Nature Commun | 马文勃/侯英楠发现植物免疫系统中一个产生“抗菌小RNA”的抗病基因簇

为了抵抗病原菌的入侵，植物演化出了许多蛋白类免疫受体，用于识别病原菌入侵并激活植物免疫。此外，近年来研究发现植物还拥有一套基于小RNA（small RNA）的“跨界基因沉默”武器：植物产生的小RNA可以进入病原菌体内，直接沉默病原菌基因从而获得抗性。然而，这些“抗菌小RNA”从何而来？它们如何演化？能否被人工改造用于作物抗病育种？这些问题长期以来悬而未决。

近日，英国赛恩斯伯里实验室马文勃教授及上海交通大学侯英楠副教授在Nature Communications在线发表了题为A conserved small RNA-generating gene cluster undergoes sequence diversification and contributes to plant immunity的研究论文（图1）。研究团队发现，植物中存在一个进化上保守的PPR基因簇，专门负责生产抗病小RNA（siRNA）。这些基因通过频繁的基因复制、序列多样化甚至假基因化，形成了一个产生多样化小RNA的“军火库”，在植物与病原菌的协同进化的“军备竞赛” 中扮演着关键角色。更重要的是，研究团队进一步证明，人工改造这一基因簇可以显著增强植物的抗病能力，为作物抗病育种开辟了全新思路。

一个“专职”产生小RNA的PPR基因簇

PPR（pentatricopeptide repeat）蛋白是植物中最大的蛋白家族之一，传统上被认为主要作用于线粒体和叶绿体中RNA的加工与修饰。然而，近期研究发现一小部分PPR基因可以作为双链RNA的前体产生次级小RNA（secondary siRNA）。本研究通过对8个拟南芥生态型的小RNA测序分析发现，高产小RNA的PPR基因在系统发育上属于同一个进化分支，并且在染色体物理位置上高度聚集。它们主要集中在1号染色体长臂的一个“热点”区域，并且很可能起源于同一个祖先PPR基因。

在拟南芥Col-0生态型中，20个产生小RNA的PPR基因中有18个属于这个进化分支，其中14个集中在一个仅0.4 Mb的1号染色体区域。这些基因贡献了Col-0中 96%的PPR来源小RNA。这说明植物并非随机利用PPR基因产小RNA，而是进化出了一套“专职”的小RNA生产系统。

序列多样性：基因复制、假基因化与“军备竞赛”

研究团队通过分析不同拟南芥生态型的基因组发现，与植物中大多数高度保守的PPR基因不同，这个产生siRNA的PPR基因簇表现出极高的序列多样性。这些基因经历了频繁的基因复制和序列分化，其中部分基因甚至发生了移码突变或提前终止，演化成了”假基因”。

然而，这些“假基因”并没有丧失功能。它们仍然能够产生小RNA，并且由于序列的分化，其产生的小RNA种群与其同源基因相比发生了极大改变，展现出高度序列多样性。在拟南芥Cvi-1品系中，一个假基因化的PPR位点虽然已经无法编码完整蛋白，却依然活跃地产生着一套独特的小RNA。功能实验证实，只要这些突变基因仍能产生小RNA，就能恢复植物对疫霉菌（Phytophthora capsici）的抗性，表明其防御作用主要依赖小RNA产物而非编码的蛋白。

这种序列多样化的演化策略，与经典的植物免疫受体基因（如NLR基因）的演化模式相类似。研究团队认为，这反映了植物与病原菌在“小RNA层面”的军备竞赛：植物通过小RNA生产基因的序列变异，以应对病原菌的快速演化。

广泛的防御策略：从拟南芥到大豆及其他双子叶植物

这一小RNA防御策略并非拟南芥的“专利”。研究团队将分析范围扩大到55个植物物种，包括早期陆生植物、单子叶植物和双子叶植物，发现利用PPR基因产生小RNA是一个普遍现象。在大豆中，研究团队发现了与拟南芥高度相似的规律：产生小RNA的PPR基因在系统发育上属于同一分支，在染色体上形成基因簇，并且贡献了84%以上的PPR来源小RNA。

通过构建涵盖11,617个PPR序列的系统发育树，研究团队发现产生siRNA的PPR基因形成一个古老的、且演化上保守的单系群。在分析的168个已知产生小RNA的来自不同物种的PPR基因中，有122个集中在这个单系群内（图2）。同时，这个单系群内的PPR基因在双子叶植物物种里经历了显著的种内扩张和序列多样化。这个结果表明，利用PPR基因簇产生抗病小RNA，是双子叶植物中一个古老且保守的免疫策略。这些PPR基因因此可以被定义为一类新的抗病基因。

人工改造小RNA增强作物抗病性

这项研究展示了增强植物免疫的直接的应用潜力。研究团队在模式植物本氏烟（Nicotiana benthamiana）中进行了概念验证实验：他们将拟南芥的PPR小RNA生产元件（AT1G62914pm）与两个“触发”小RNA（miR161和TAS2 3′ D6(-)）共同表达。 结果显示本氏烟中抗病小RNA siR1310的积累量显著上升，同时疫霉菌靶标基因的表达被有效沉默，病斑面积和疫霉菌生物量均显著减少（图3）。同时，当用另一种与靶标序列不匹配的疫霉菌（Phytophthora infestans）进行接种挑战时，该体系无法提供保护，证明了这一防御效应的序列特异性。

综上所述，该研究成果不仅首次系统揭示了植物利用PPR基因簇生产抗病小RNA的演化与功能机制，更是我们在理解天然宿主诱导的基因沉默（natural Host-Induced Gene Silencing, nHIGS）作为植物免疫机制过程中迈出的重要一步。概念验证实验的成功为未来通过人工设计小RNA生产元件来特异性靶向病原菌关键基因，打造作物精准抗病体系提供了坚实的理论基础和可行的技术路径。未来的研究将进一步探索这一机制在作物中的保守性与可操作性。

英国赛恩斯伯里实验室博士后冯丽与上海交通大学侯英楠副教授为本论文的共同第一作者。英国赛恩斯伯里实验室马文勃教授及上海交通大学侯英楠副教授为本文共同通讯作者。英国赛恩斯伯里实验室博士生AmirAli Toghani，科研助理 Nicola Atkinson，博士后唐博增，李辉，以及康奈尔大学博士后王智学，上海交通大学博士生乔悦也参与了该研究工作。该研究还得到了南方科技大学翟继先教授、美国康奈尔大学华健教授以及加拿大多伦多大学王岩副教授的大力支持和帮助。该研究得到了盖茨比慈善基金会、英国UKRI-BBSRC和中国国家自然科学基金面上项目资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-77164-1