中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)趙忠課題組揭示植物干細(xì)胞如何免疫病毒
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部、合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心分子與細(xì)胞生物物理研究部趙忠教授課題組，近期揭示了植物干細(xì)胞抵御病毒侵染的分子機(jī)制。首次在植物廣譜病毒抗性和分生組織維持機(jī)制之間建立了精確的分子聯(lián)系，回答了為什么大部分植物病毒不能侵染頂端分生組織這一長(zhǎng)期未決的生物學(xué)問(wèn)題。相關(guān)成果以“WUSCHEL triggers innate antiviral immunity in plant stem cells”為題，于2020年10月9日發(fā)表于《Science》雜志。
植物干細(xì)胞是植物胚后發(fā)育所有組織和器官分化的源泉，具有自我更新和無(wú)限分化的潛能。在植物胚后發(fā)育中，除子葉、下胚軸和初生根之外所有的組織和器官均來(lái)自干細(xì)胞的分化。干細(xì)胞功能的穩(wěn)定對(duì)植物的胚后發(fā)育至關(guān)重要，因此干細(xì)胞受到了植物體的嚴(yán)密保護(hù)，以避免其遭受外界生物或非生物的脅迫。
植物病毒病害是危害農(nóng)業(yè)的第二大病害，嚴(yán)重影響了作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，甚至絕收。目前尚無(wú)有效的農(nóng)藥或化學(xué)制劑能夠特異性地防治植物病毒，必要時(shí)只能將染病植株鏟除，以防止病毒擴(kuò)散。而莖尖脫毒技術(shù)是迄今唯一有效的、能夠清除植物體內(nèi)多種病毒的生物技術(shù)。該技術(shù)自上世紀(jì)50年代起，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以獲得脫毒苗，并在馬鈴薯、蔬菜、果樹(shù)、草莓、花卉等作物中大面積推廣。該技術(shù)適用作物范圍廣，能夠清除多種病毒，具有廣譜抗病毒的特點(diǎn)。這一技術(shù)應(yīng)用的生物學(xué)基礎(chǔ)是植物莖頂端分生組織病毒含量少，甚至沒(méi)有病毒，其機(jī)制長(zhǎng)期以來(lái)一直是未解之謎。
為了回答上述問(wèn)題，趙忠教授課題組首先在擬南芥體內(nèi)追蹤定位了黃瓜花葉病毒（Cucumber Mosaic Virus, CMV）的分布模式。發(fā)現(xiàn)在莖頂端分生組織中CMV病毒恰好分布在干細(xì)胞重要調(diào)節(jié)子WUSCHEL（WUS）基因表達(dá)的下沿，不能感染植物干細(xì)胞所在中央?yún)^(qū)以及分化細(xì)胞所在的周邊區(qū)和幼嫩花原基（圖1）。進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)表明，干細(xì)胞中WUS蛋白受病毒誘導(dǎo)積累，且異位移動(dòng)到周邊區(qū)，保護(hù)干細(xì)胞及其分化的子細(xì)胞不受病毒的侵染（圖1）。
該研究證實(shí)如果在擬南芥葉片中異位表達(dá)WUS蛋白，可以保護(hù)整株植物不受CMV病毒的侵染。反之，在植物干細(xì)胞中可誘導(dǎo)的降解WUS蛋白，則導(dǎo)致CMV病毒侵染整個(gè)莖頂端分生組織。通過(guò)正反改變內(nèi)源WUS的含量，研究人員證實(shí)了干細(xì)胞重要調(diào)控基因WUS在免疫病毒中的關(guān)鍵作用。
圖1 植物病毒不能侵染WUS蛋白所在的干細(xì)胞區(qū)域及周邊分化細(xì)胞
為了解析WUS介導(dǎo)的干細(xì)胞免疫病毒的分子機(jī)制，研究人員通過(guò)轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，鑒定了一類(lèi)受WUS蛋白直接調(diào)控的下游基因：SAM甲基轉(zhuǎn)移酶（S-adenosyl-L-methionine-dependent methyltransferases, MTases)。生化實(shí)驗(yàn)證明該甲基轉(zhuǎn)移酶參與了25S核糖體RNA（25S rRNAs）的m5C甲基化。WUS直接抑制MTases基因的表達(dá)，影響了核糖體RNA的加工和核糖體的穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而可以抑制病毒蛋白質(zhì)的合成。
為了研究WUS介導(dǎo)的干細(xì)胞抗病毒免疫是否具有廣譜性，該研究還檢測(cè)了其他三種植物病毒：蕪菁皺縮病毒(Turnip crinkle virus, TCV)、煙草脆裂病毒(tobacco rattle virus, TRV)和蕪菁花葉病毒(turnip mosaic virus, TuMV)，得到了一致的結(jié)論，說(shuō)明WUS介導(dǎo)的抗病毒免疫可以針對(duì)多種植物病毒的侵染。由于WUS及其同源基因在植物中廣泛存在，具有高度的功能保守性。這就進(jìn)一步解釋了為什么莖尖脫毒可以應(yīng)用于多種不同種屬的植物，并且能夠清除感染這些植物的多種多樣的病毒。
總之，該研究揭示了植物莖頂端分生組織存在廣譜抗病毒免疫的分子機(jī)制。在侵染過(guò)程中，病毒必須利用植物細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)合成系統(tǒng)合成自身的蛋白，以完成自身的復(fù)制、組裝和侵染過(guò)程。而干細(xì)胞關(guān)鍵調(diào)節(jié)基因WUS則通過(guò)直接抑制細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)合成的速率，限制了病毒的復(fù)制和傳播（圖2）。該研究不僅回答了為什么植物病毒不能侵染植物分生組織這一長(zhǎng)而未決的生物學(xué)問(wèn)題，同時(shí)也為未來(lái)作物抗病毒防治提供了新的技術(shù)策略。
圖2 圖示說(shuō)明WUS介導(dǎo)干細(xì)胞免疫病毒的分子機(jī)制
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)趙忠教授和田朝霞副研究員為該論文的共同通訊作者，武海軍副研究員為該論文的第一作者。廣州大學(xué)董志誠(chéng)教授和德國(guó)海德堡大學(xué)Jan U. Lohmann教授也參與了該研究。該研究得到了中科院B類(lèi)先導(dǎo)、國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重大研究計(jì)劃項(xiàng)目的資助。
完成單位：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，廣州大學(xué)，德國(guó)海德堡大學(xué)，四川大學(xué)
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