DirectoryIndex ne fonctionne pas correctement pour l'URL réécrite

J'ai domain.com et sub.domain.com pointant vers le même serveur et j'utilise mod_rewrite pour réécrire les URLs pour sub.domain.com vers le sous-répertoire sub. J'ai le fichier .htaccess suivant dans la racine du document :

DirectoryIndex index.html index.php

# Empêche la boucle de réécriture infinie.
RewriteCond %{ENV:REDIRECT_STATUS} ^$
# Envoie toutes les requêtes adressant sub.domain.com...
RewriteCond %{HTTP_HOST} =sub.domain.com [NC]
# ...vers le répertoire /sub.
RewriteRule ^ /sub%{REQUEST_URI} [QSA]

Dans le répertoire sub j'ai index.php et pas de index.html, mais les requêtes vers http://sub.domain.com semblent ignorer complètement index.php et renvoyer une erreur 404. Cependant, si j'ai index.html là-bas, c'est servi. La seule façon d'obtenir que index.php soit servi est de définir

DirectoryIndex index.php

mais ce n'est pas quelque chose que je veux faire pour l'ensemble du site.

Curieusement, les URLs autres que la racine du document présentent un comportement normal de DirectoryIndex. Par exemple, http://sub.domain.com/search essaie de trouver sub/search/index.html puis sub/search/index.php avant de renvoyer une erreur 404.

Si je fais une requête vers le répertoire sub à partir du domaine parent http://domain.com/sub, je peux voir index.php, ce qui me laisse complètement perplexe face au problème.

Je voudrais inclure le journal d'erreurs d'Apache, mais j'utilise un hébergement partagé et je n'ai pas de moyen d'augmenter la verbosité du journal. De plus, je n'ai pas pu reproduire cette erreur localement. Le serveur d'hébergement Web utilise Apache 2.4.3, et mon serveur local est Apache 2.4.9.