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植物如何抵抗病毒

2020 / 12 / 02新浪

年初以来,新型冠状病毒让大家对病毒的严重危害有了更深刻的认识。实际上,无论人类、其他动物或是植物,都可能受到病毒的威胁。然而迄今为止,没有任何一个药物可以将病毒完全消灭,人类只能依靠自身免疫力抵抗病毒。同样,植物一旦染上病毒将带来毁灭性的后果,病毒的快速传播最终可能使整片良田化为乌有。比如水稻中由稻飞虱传播的病毒(水稻条纹病毒和黑条矮缩病病毒)一旦爆发,轻则减产16%左右,重则绝收。

目前,植物病毒感染已经成为农业生产中的第二大病害,每年在全球造成巨大的经济损失。民以食为天,粮食是人类生存之本,粮食安全关系着国计民生。然而今年,在新冠肺炎疫情、蝗灾和极端气候等多种因素叠加下,全球的粮食安全面临着巨大考验。如何培育广谱抗病毒的优良品种,成为应对粮食危机的一个重要途径。

现状:虫害可防,病害难愈

植物病毒病源种类繁多,目前已知有1000多种,主要由昆虫传播。因为无法直接抑制病毒,目前农业上从传播途径入手,通过喷洒农药的方式杀死传播病毒的“使者”。从1978到2011年,虽然我国粮食增产了87.4%,不到一倍,但农药产量增加近百倍,这相当于中国14亿人口,平均每人每年要消耗将近2.67公斤农药!这不仅极大得增加了农业生产的直接经济成本,同时喷洒的农药更可能对人和环境造成持续的伤害。无法治愈、高传染性的植物病毒对国家粮食安全的威胁已经不容忽视。

目前最稳定可靠的“茎尖脱毒”是清除植物体内病毒、获得脱毒植物的最佳生物技术。科学家们在无菌环境下将感染病毒植物的茎尖切下,放到装有培养基的试管中培养。植物长大后再次将茎尖切下进行培养,重复几轮操作后,就可以获得没有病毒感染的植物。从上世纪50年代这一生物学现象被发现到目前,该技术是唯一一个能够在植物体内把病毒彻底清除的办法,被广泛应用于无毒苗的生产并被植物抗病毒领域长期关注。这一技术的优点在于具有普适性,对于绝大部分植物及其感染的不同病毒都可以清除,是一个广谱的抗病毒方法;缺点是需要体外培养、步骤繁琐,经济代价很高。解析茎尖内在的广谱抗病毒机制、寻找抗病毒蛋白,对于培育新型广谱抗病毒作物具有重要的意义。

茎尖脱毒:植物可能存在一个广谱的抗病毒机制
茎尖脱毒:植物可能存在一个广谱的抗病毒机制

跨领域新发现:WUS激活干细胞抗病毒免疫

自上世纪中叶发现植物茎尖脱毒现象以来,人们推测植物茎尖中病毒含量少或者没有病毒,大量的科研工作者围绕这一科学问题进行探索研究,其机制一直未被揭示。

中国科学技术大学赵忠教授自2011年回国后,从发育生物学角度入手,结合病毒学相关知识,通过两个领域的交叉,历经近8年时间潜心研究,发现了WUSCHEL(WUS)蛋白激活干细胞免疫病毒的分子机制。该成果以WUSCHEL triggers innate antiviral immunity in plant stem cells为题于10月9日发表在Science期刊上。

在长期的进化过程中,植物很难完全战胜病毒,病毒总是会想尽各种办法去侵染细胞。该研究团队发现,尽管病毒能够入侵绝大部分细胞,但有一类特殊的细胞病毒无法侵染,那就是干细胞。这是一类被植物严格保护的、具有至关重要的生物学功能的细胞。发育生物学知识告诉我们,植物干细胞是植物胚后发育所有组织器官分化的源泉,具有无限分化的潜能。植物绝大部分器官,包括根、茎、叶、花和果实均来自干细胞的分化。因此,干细胞的稳定对植物的生长发育至关重要,特别是需要严密保护干细胞避免其遭受外界病原微生物和不良环境的胁迫。所以,如果能够揭示干细胞的抗病毒机制,让其它细胞也具有类似的能力,那么就可以使得整个植物拥有抵御病毒侵袭的能力。因此,具有高度抗病毒能力的植物干细胞拥有很高的关注度。

植物干细胞广谱抗病毒机制示意图(美术设计:马子颂,梁琰)
植物干细胞广谱抗病毒机制示意图(美术设计:马子颂,梁琰)

为了验证植物茎尖(茎顶端分生组织)病毒含量少的假设,赵忠教授团队首先在拟南芥体内追踪定位了黄瓜花叶病毒(Cucumber Mosaic Virus, CMV)的分布模式。发现在拟南芥茎顶端分生组织中CMV病毒恰好分布在干细胞重要调节子 WUS基因表达的下沿,不能感染植物干细胞及其新近分化的子细胞。

那究竟是什么原因导致植物干细胞成功抵御了病毒的侵染呢?想要了解这一问题,就要从病毒感染动植物的机制说起。病毒结构非常简单,是由一些RNA或DNA分子和外壳蛋白组成。病毒在繁殖过程中,首先侵入植物细胞内将自己的遗传物质(RNA或DNA)释放出来,之后抢夺植物细胞内所有的蛋白质合成机器,合成大量病毒,最后以至于把整个细胞摧毁,然后复制的病毒突破细胞再去感染其它正常细胞。因此,病毒的存活和繁殖需要依赖植物细胞给它提供所需的能量和物质,其中就包括最重要的蛋白质合成。

在植物干细胞中,WUS蛋白是一个功能非常保守的蛋白质,从低等植物到高等植物都含有这个蛋白。赵忠教授团队发现干细胞一旦感知到病毒的来临,WUS蛋白会被迅速诱导,抑制蛋白质合成中的最关键设备-核糖体,极大地降低植物细胞内的蛋白质合成能力。这样病毒进入后,无法利用植物细胞合成病毒蛋白,因而病毒不能进行有效的复制,也就无法继续侵染其他细胞。

病毒入侵时WUS蛋白不仅能够保护干细胞,同时还能够“逆行”移动到干细胞周边,保护干细胞新生的后代细胞免于病毒感染。研究人员进一步通过关键的遗传实验证实,在植物其它细胞中表达WUS蛋白,可以保护整株植物免受CMV病毒的感染。反之,在植物干细胞中可诱导的降解WUS蛋白,则会导致病毒侵染整个干细胞区域以及周边细胞。通过正反改变内源WUS的含量,证实了干细胞关键调节子WUS在植物抗病毒免疫中的关键作用。

植物细胞中的WUS通过破坏细胞蛋白质合成来阻止病毒复制,保持了细胞的健康状态。(美术设计:陈磊 梁琰)
植物细胞中的WUS通过破坏细胞蛋白质合成来阻止病毒复制,保持了细胞的健康状态。(美术设计:陈磊 梁琰)

同时,WUS蛋白也可以成为其他细胞抵抗病毒的“利器”,团队成员还检查了多种病毒,包括芜菁皱缩病毒(Turnip crinkle virus, TCV), 烟草脆裂病毒 (tobacco rattle virus, TRV)和芜菁花叶病毒(turnip mosaic virus, TuMV),并证实WUS均可以抑制这些病毒对植物细胞的感染,说明WUS介导的干细胞病毒免疫具有广谱性。

干细胞抗病毒蛋白广谱抗病毒示意图(美术设计:武海军等)
干细胞抗病毒蛋白广谱抗病毒示意图(美术设计:武海军等)

这项工作研究了植物分生组织广泛存在的广谱抗病毒免疫活性,第一次发现在病毒抗性和分生组织维持基因之间存在如此精确的分子连接。同行专家评论:“此研究解决了一个长期存在且备受关注的问题,是植物病理学和植物发育领域的一个开创性研究。”

下一步,研究团队计划怎样将其应用到育种中,基于蛋白质人工进化技术,筛选高抗病蛋白,并利用生物技术转入多种作物中,以得到广谱高抗病的作物新品种。团队研究人员表示, WUS作为一个保守的干细胞调节蛋白,其同源蛋白存在于多种植物中。WUS蛋白介导的广谱抗病毒机制可以为多种作物抗病毒防治提供一个新的研究思路,可能为解决全球粮食稳产带来新曙光。

参考文献:

1。 R。 K。 Yadav et al。 WUSCHEL protein movement mediates stem cell homeostasis in the Arabidopsis shoot apex。 Genes Dev。 25,2025-2030, (2011)。

2。 Y。 Ma et al。 WUSCHEL acts as an auxin response rheostat to maintain apical stem cells in Arabidopsis。 Nat。 Commun。 10,5093 (2019)。

3。 H。 Wu et al。 WUSCHEL triggers innate antiviral immunity in plant stem cells。 Science。 370, 227-231 (2020)。