发布日期 2020-10-09

植物如何才能“百毒不侵”?我科学家发现植物干细胞广谱抗病毒机制

原标题:植物如何才能“百毒不侵”?我科学家发现植物干细胞广谱抗病毒机制

北京时间10月9日凌晨两点,中国科学技术大学赵忠教授团队的一项科研成果在国际顶尖杂志《科学》(Science)上刊发。研究者通过发育生物学和植物病毒学两个领域的交叉研究,找到了植物干细胞免疫病毒的关键因子——WUSCHEL(WUS)蛋白,揭示了植物干细胞的广谱抗病毒机制。

神秘的“茎尖脱毒”

病毒是自然界广泛存在的微生物,人们往往更熟知那些在动物尤其是人类之间传播的病毒。但你知道吗,植物也非常害怕病毒。

植物一旦萌发以后,不能移动位置,是一种固着生长的方式。这种生长方式让植物经常会面临各种不利环境,且不能像动物一样逃离。

目前,植物病毒病害已经成为农业生产中的第二大病害,植物一旦染上病毒将带来毁灭性的后果。比如,在水稻中由稻飞虱传播的病毒会带来条纹叶枯病和黑条矮缩病,一旦爆发,轻则减产16%左右,重则绝收。

植物病毒种类繁多,已知的植物病毒就有1000多种,现有的抗病毒手段只能针对少数的病毒,且随着病毒不断进化,抗性也会逐渐减弱。尽管国内外研究人员已经从多个角度进行了大量的研究,包括RNA干扰,细胞自噬和植物激素等途径,但是对于植物干细胞存在广谱抗病毒能力的原因仍然不清楚。

不过,有一种传统的清除植物体内病毒的方式,叫做“茎尖脱毒”。它是少有的可以应用于大多数植物、清除其体内病毒的最有效的生物技术。

在上世纪50年代,人们发现,一株植物感染病毒后,把它的茎尖切下来,放在试管内进行培养,这个植物会逐渐长大,长大以后再把茎尖切下来,再进行培养,经过几轮这样的培养后,植物的病毒神奇地消失了。这个技术就是“茎尖脱毒”,后来被广泛应用在各种农作物中。

茎尖组织为什么能够抗病毒?为什么这种技术能够帮助不同的植物抵抗病毒?为什么它能抗很多不同类型的病毒?这些深层机理过去一直未被揭示,现在却被赵忠教授团队揭开了谜底。

赵忠团队另辟蹊径,以传统的茎尖脱毒技术为灵感来源,历经8年潜心研究,发现WUS是一个存在于植物干细胞中的关键抗病毒蛋白。

神奇的“WUS蛋白”

赵忠教授介绍:“我们课题组经过几年的研究,发现在植物的茎顶端存在一个非常重要的抗病毒蛋白WUS,它在正常情况下存在于茎尖的一个非常特殊的细胞类型——干细胞内。一旦病毒侵入植物,这些干细胞内的抗病毒蛋白就会响应病毒,它的表达量会急速提高,同时会离开它原来所在的细胞,到整个植株的顶端,来保护干细胞和它新生的后代细胞免于病毒的侵袭。”

为什么WUS蛋白能够抵御病毒的侵袭?

病毒是非常简单的生命体,只有蛋白和核酸两种成分。对于病毒来说,它要想繁殖,就必须要利用它的宿主细胞内的所有的生命活动的系统,包括蛋白质合成,包括各种能量和能源物质。也就是说,一旦病毒侵入宿主的健康细胞以后,它就会劫持宿主细胞内所有的生命活动体系来为它自己服务。

干细胞内的WUS是一个非常保守的蛋白,从低等植物到高等植物中普遍存在。对于植物的干细胞来说,抗病毒蛋白WUS能够抑制植物体内的蛋白质合成系统。这样病毒进入植物细胞以后,就无法利用植物体内的合成系统来替自己合成蛋白质,也就不能进行繁殖和扩散。这就达到了非常重要的抑制病毒侵染的作用。

同时,WUS蛋白也可以成为其他细胞抵抗病毒的“利器”,研究人员在植物其它细胞中表达WUS蛋白,可以保护植物免受病毒的感染。“当我们把WUS蛋白表达在叶片里的时候,我们发现整株植物都会受到保护。”赵忠说。

干细胞抗病毒蛋白广谱抗病毒示意图。美术设计:武海军等

同时研究人员还检查了多种病毒,并证实WUS蛋白均可以抑制这些病毒对植物细胞的感染,说明WUS蛋白介导的干细胞病毒免疫具有广谱性。

这项工作研究了植物分生组织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。同行专家评论说:“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问题带来新曙光。

“我们希望未来能够用这种新的方式,使得大部分的作物能够抵御病毒的入侵。”赵忠说。

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