在农业绿色发展背景下，有关植物的抗病研究不再围绕单一基因层面，逐步延生到“表观遗传”层面，简单来说，表观遗传像是给植物的基因组装上一个“开关”，不需要改变基因本身的序列，而是通过DNA甲基化，组蛋白乙酰化或者非编码RNA调控等方式，帮助植物打开特定基因开关，启动抗病等免疫防御功能，
植物从察觉到病菌入侵，到启动防御机制，再到记住这种病菌，就可以依赖这种表观修饰来调控基因表达，同时这种调控是可逆的，能够让植物在抗病和生长之间找到平衡。
那本篇文章小源就带领大家来了解这些表观遗传的修饰类型，免疫调控通路的热门研究方向以及相关研究机制。
一、本文框架
二、研究方向一：经典表观修饰介导的免疫应答机制
1.修饰类型：组蛋白β-羟基丁酰化（H3K9bhb）
β- 羟基丁酰化（Kbhb）是一种新型组蛋白酰化修饰，在动物中已被证实参与免疫细胞代谢等过程，其中 H3K9bhb （组蛋白 H3 第 9 位赖氨酸的β-羟基丁酰化）是研究最充分的位点。然而，植物中是否存在 Kbhb 修饰、其分布特征及功能（尤其是在免疫应答中的作用）尚不清楚。此外，植物中调控 Kbhb 修饰的“写入酶”（转移酶）和“擦除酶”（去修饰酶）尚未被鉴定，其与已知组蛋白修饰（如 H3K9ac）的功能关系也不明确。
以2025年7月，华中农业大学、广西大学、长江大学等研究团队在nature communications上发表了一篇题为“Regulation of plant immunity through histone H3 β-hydroxybutyrylation-mediated transcriptional control”（IF=16.6）的文章为例。本篇文章聚焦组蛋白β-羟基丁酰化（H3K9bhb）这一新型组蛋白酰化修饰，探究其在水稻中的分布特征、与已知组蛋白修饰的功能差异、对水稻免疫应答的调控作用及相关调控酶，最终明确 H3K9bhb 通过转录控介导植物免疫应答的分子机制。
本文通过免疫印迹、ChIP-seq、RNA-seq、ATAC-seq、体外酶活实验、突变体构建与病原菌接种等多种实验手段，系统阐明了其在植物免疫应答中的调控作用及机制。研究首先通过多物种免疫印迹和全基因组 ChIP-seq，证实 H3K9bhb 是植物中保守的活性组蛋白修饰，富集于基因转录起始区（图），与 H3K9ac 功能分化，前者特异地参与生物胁迫响应。随后通过外源施加β-羟丁酸（BHB）和病原菌接种实验，发现 BHB 可诱导 H3K9bhb 沉积，激活水稻免疫应答（如胼胝质沉积、活性氧（ROS）爆发），增强对稻瘟病、稻曲病等真菌病害的抗性；同时，BHB 处理后基因组层面 H3K9bhb 沉积显著增加，且与防御相关基因表达上调有关。稻曲病菌感染同样能上调 H3K9bhb 水平，调控防御相关基因表达。通过组蛋白去乙酰化酶（HDAC）突变体筛选和体外酶活实验，鉴定出 OsSRT1、OsSRT2、OsHDA705 为 H3K9bhb 的去修饰酶，其中 OsHDA705 通过调控 H3K9bhb 介导植物免疫。此外，蛋白质组学分析鉴定到水稻中多个蛋白上的多个 Kbhb 修饰位点，涉及代谢、免疫等多种通路。综上，该研究明确 H3K9bhb 通过转录调控（影响染色质可及性）介导植物免疫应答，揭示了其在植物-病原菌互作中的关键作用，为作物抗病育种提供了新的表观遗传靶点。
图：H3K9bhb 在水稻基因组中的分布特征
a 采用免疫印迹法检测水稻、拟南芥、玉米和烟草中的组蛋白赖氨酸 β- 羟丁酸酰化（Kbhb）修饰。b 采用免疫印迹法检测水稻、拟南芥、玉米和烟草中的 H3K9β- 羟丁酸酰化（H3K9bhb）修饰。c H3K9bhb 峰在水稻基因组中的分布情况。d 水稻中 H3K9bhb 标记的转座子元件（TE）基因与非转座子元件（non-TE）基因的饼图统计。e 每个基因上的 H3K9bhb 峰数量统计。左图：H3K9bhb 在 TE 基因和 non-TE 基因中的元图谱；右图：H3K9bhb 在不同长度基因上的元图谱。
2.修饰类型：N端乙酰化（NTA）
N端乙酰化（NTA，N-terminal acetylation）是一种广泛存在于真核生物和原核生物中的保守蛋白翻译后修饰（PTM），核心是在 N 端乙酰转移酶（NATs）催化下，将乙酰基（CH₃CO-）共价连接到蛋白质 N 端的游离α-氨基上。
以2025年5月，中国科学院遗传与发育生物学研究所、四川农业大学等研究团队在Cell Reports上发表了一篇题为“OsHYPK/NatA-mediated N-terminal acetylation regulates the homeostasis of NLR immune protein to fine-tune rice immune responses and growth”（IF=6.57）的文章为例，该研究聚焦 N 端乙酰化（NTA）这一经典表观修饰，通过 RT-qPCR、病原菌接种、突变体筛选与验证、IP-MS、原生质体瞬时表达降解实验等多种实验手段，揭示了 OsHYPK/NatA 复合物调控水稻免疫应答与生长平衡的分子机制。研究首先发现，oshypk 突变体中防御基因转录水平显著升高，叶片出现类病斑表型且 H₂O₂积累增加，对稻瘟病菌的抗性显著增强，证实 OsHYPK 负调控水稻抗病性。通过 γ 射线诱变筛选到 oshypk 的抑制突变体 soh74，其抗病性和防御基因表达均恢复至野生型水平，结合 BSA 定位与互补实验，鉴定出 soh74 的功能基因为 NLR 蛋白编码基因 RPM1-L1。进一步研究表明，RPM1-L1 过表达株系可激活 ROS 爆发，并增强抗病性，而敲除株系则削弱 oshypk 的抗病性，证实 RPM1-L1 正调控水稻对稻瘟病菌的抗性。IP-MS 实验显示 oshypk 突变体中 RPM1-L1 的 NTA 水平显著降低（图A），原生质体瞬时表达与细胞-free降解实验证实 OsHYPK/NatA 介导的 NTA 可促进 RPM1-L1 降解（图B-H）。稻瘟病菌感染后，OsHYPK 蛋白水平下降，RPM1-L1 乙酰化减少并积累，进而激活免疫应答。综上，该研究提出 OsHYPK-NTA-RPM1-L1 调控模型，阐明了 N 端乙酰化通过调控 NLR 蛋白稳态，精细平衡植物生长与免疫应答的核心机制。
图：RPM1-L1 蛋白的 N 端乙酰化修饰与稳定性
（A）通过质谱法检测 Ubi:RPM1-L1₁₀₀aa-Flag/KT 和 Ubi:RPM1-L1₁₀₀aa-Flag/oshypk 植株中 RPM1-L1 的 N 端肽段乙酰化修饰情况总结。（B）检测野生型（KT，北陆稻）和 oshypk 突变体原生质体中 RPM1-L1-Flag 融合蛋白的表达水平。（C）检测共表达或不共表达 OsHYPK-GFP 时，oshypk 突变体原生质体中 RPM1-L1-Flag 融合蛋白的表达水平。（D）检测野生型（KT，北陆稻）原生质体中 RPM1-L1-Flag 和 RPM1-L1ᴬ²ᴾ-Flag 融合蛋白的表达水平。（E）检测野生型（KT，北陆稻）和 oshypk 突变体原生质体中 RPM1-L1ᴬ²ᴾ-Flag 融合蛋白的表达水平。（F、G）从 Ubi:RPM1-L1-Flag/KT 株系（F）和 Ubi:RPM1-L1-Flag/oshypk 株系（G）中提取 RPM1-L1-Flag 融合蛋白，进行无细胞降解实验。提取的蛋白用 1 mM CHX 处理，同时加入 100 μM MG132（或等量 DMSO）。（H）MG132 可抑制 RPM1-L1-Flag 融合蛋白的降解。
三、研究方向二：RNA表观修饰（m⁶A）的免疫调控作用
m⁶A 是真核生物 mRNA 上最普遍的 RNA 表观修饰，指在甲基转移酶复合体（“writer”）催化下，将甲基（-CH₃）共价连接到 mRNA 腺嘌呤（A）的第 6 位氮原子上；该修饰可被去甲基化酶（“ eraser ”）去除，还能被识别蛋白（“ reader ”）结合，是可逆的动态调控修饰，不改变 RNA 序列但调控其命运。在免疫刺激（如病原体感染、炎症信号）下快速改变靶 RNA 的修饰状态，进而调控免疫基因的表达时间和强度。
以2025年4月，北京大学、华中农业大学等研究团队在nature plants上发表的“Regulation of m6A RNA reader protein OsECT3 activity by lysine acetylation in the cold stress response in rice”（IF=18.6）的文章为例，该研究聚焦水稻 m⁶A 阅读器蛋白 OsECT3 的赖氨酸乙酰化修饰，通过免疫沉淀-质谱（IP-MS）、CRISPR-Cas9 突变体构建、RNA-EMSA、FA-CLIP、m⁶A-seq、RT-qPCR 等实验手段，揭示了其在冷胁迫响应中的调控机制。研究发现，OsECT3 在赖氨酸 471 位（Lys471）发生乙酰化修饰，该修饰会显著抑制其 m⁶A 结合活性—乙酰化模拟突变体 OsECT3 (K471Q) 丧失 m⁶A 结合能力，而乙酰化抗性突变体 OsECT3 (K471R) 的结合活性增强。OsECT3 的乙酰化水平受组蛋白去乙酰化酶 HDA705 和乙酰辅酶 A（acetyl-CoA）调控：HDA705 与 OsECT3 直接相互作用并促进其去乙酰化（图a-e），而 ACLA2 来源的 acetyl-CoA 是 OsECT3 乙酰化的必要条件（图h-j）。冷胁迫下，HDA705 的转录和蛋白水平被诱导升高，同时 acetyl-CoA 水平降低，共同导致 OsECT3 乙酰化水平下降，进而增强其 m⁶A 结合活性，使其能结合并稳定 COLD1、COIN 等冷响应相关 mRNA，最终提升水稻的冷耐受性。此外，全转录组分析显示，冷胁迫下 OsECT3 的结合位点与 m⁶A 峰高度重叠，且去乙酰化的 OsECT3 能更高效地结合这些靶标 mRNA，进一步证实其通过 m⁶A 依赖方式调控基因表达。综上，该研究提出 “冷胁迫 - HDA705/acetyl-CoA-OsECT3 去乙酰化-m⁶A 结合-冷响应基因稳定” 的调控模型，揭示了赖氨酸乙酰化修饰对 m⁶A 阅读器活性的调控作用，以及代谢与表观修饰通路在植物抗逆中的关联。
图： OsECT3 的乙酰化修饰受 HDA705 和乙酰辅酶 A（acetyl-CoA）水平调控
a 水稻细胞质定位组蛋白去乙酰化酶（HDACs）与 OsECT3 相互作用的酵母双杂交检测。b OsECT3 与 HDA705 相互作用的体外 pull-down 实验。c OsECT3 与 HDA705 相互作用的分裂荧光素酶互补实验。d 水稻中 OsECT3 与 HDA705 相互作用的免疫共沉淀（Co-IP）实验。e HDA705 在体外对 OsECT3 的去乙酰化作用。f HDA705 在体内对 OsECT3 的去乙酰化作用。g 存在或不存在 HDA705–His 时，OsECT3-GST、OsECT3 (K471R)-GST 与 m⁶A 修饰 mRNA 结合的 RNA 电泳迁移率变动分析（RNA-EMSA）。h ACLA2 在体内对 OsECT3 乙酰化的调控作用。i OsECT3 与水稻 ATP - 柠檬酸裂解酶（ACLs）相互作用的酵母双杂交检测。j 水稻中 OsECT3 与 ACLA2 相互作用的 Co-IP 实验。蛋白经抗 ACLA2 抗体和抗 OsECT3 抗体免疫印迹检测。
四、研究方向三：植物-微生物组的表观遗传互作
植物常驻微生物群（共生菌）可通过表观遗传调控参与植物抗病，形成“植物-常驻微生物-病原菌”三元互作网络，是可持续农业的核心研究方向之一。
以2022年2月，南京农业大学研究团队在Microbiome上发表了“Long-term effect of epigenetic modification in plant–microbe interactions: modification of DNA methylation induced by plant growthpromoting bacteria mediates promotion process”（IF=12.7）的文章为例，
该研究聚焦 DNA 甲基化这一表观修饰，通过 16S rRNA 扩增子测序、宏基因组测序、RNA-seq、全基因组亚硫酸氢盐测序（WGBS）、病原菌接种、DNA 甲基化抑制剂（zebularine，Zeb）处理等实验手段，揭示了植物促生细菌（PGPB）介导植物生长促进的新型分子机制。研究发现，PGPB 菌株 PGP5 和 PGP41 接种后虽在根际土壤早期存在，但后期逐渐被清除（Fig. 1A-B），且根际微生物组的组装主要由植物发育驱动，接种对微生物组的影响仅局限于早期阶段（图C-H），而土壤实验证实根际微生物组变化和菌株定殖均非生长促进的必要条件。WGBS 结果显示，接种诱导水稻根部 DNA 甲基化修饰发生改变，CHH context 是主要差异甲基化区域（DMR）类型，且早期诱导的部分甲基化变化可持续至后期，这些 DMR 与差异表达基因（DEGs）显著关联，且甲基化水平变化与基因表达呈强相关性。Zeb 处理破坏了接种诱导的 DNA 甲基化模式和相关基因表达，同时显著削弱了 PGPB 对植物的生长促进作用，证实 DNA 甲基化修饰介导了 PGPB 诱导的生长促进效应。综上，该研究提出 “PGPB-DNA 甲基化-植物生长” 调控模型：PGPB 早期接种诱导植物根部 DNA 甲基化修饰改变，这种表观修饰在菌株清除后仍保持功能，长期调控相关基因表达以促进植物生长，为微生物组工程提供了超越菌株持久性的新思路。
图 根系诱导的根际微生物组分类学变异
A、B 基于根际微生物组操作分类单元（OTU）中与菌株 16S rRNA 基因序列 100% 匹配的序列，分析 PGP41（A）和 PGP5（B）菌株的相对丰度。C-E α 多样性指数的变化，包括 Chao1 指数（C）、Shannon 指数（D）和 Simpson 指数（E）。F 最后一次采样（30 天）与各时间点（0-21 天）样本微生物组间的布雷 - 柯蒂斯（Bray–Curtis）距离随植物生长时间延长而减小。G 主坐标分析（PCoA）显示微生物组随植物生长时间和发育进程发生变化。H 样本间成对相关性分析表明，接种组和对照组微生物组的变异趋势相似，且移植后 15 天根际微生物组趋于稳定。I 通过随机森林回归分析对照组（CK）中细菌相对丰度与植物生长时间的关系，筛选出的细菌生物标志物。J 基于对照组（CK）和接种组（PGP5、PGP41）土壤中生物标志物相对丰度的热图，显示不同土壤中生物标志物随植物生长时间呈现相似的变异趋势。
从 DNA 甲基化的精准 “开关” 到组蛋白修饰的动态 “密码”，从 m⁶A 的 RNA 表观调控到染色质开放性的灵活重塑，植物免疫的表观遗传调控正以多种机制守护作物健康。若小伙伴还想了解更多高分文献思路解读以及互作实验技术，欢迎随时沟通！
南京瑞源生物公司简介
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参考文献
[1]Xu Q, Chen Z, Wang R, Ma X, Duan Y, Hai D, Chen J, Cheng Z, Zheng L, Huang J, Zhang J, Zhao Y, Chen X. Regulation of plant immunity through histone H3 β-hydroxybutyrylation-mediated transcriptional control. Nat Commun. 2025 Jul 17;16(1):6588.doi:10.1038/s41467-025-61474-x.PMID:40675960;PMCID: PMC12271380.
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