子科生物報道:中國科學(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期未決的生物學(xué)問題。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自干細(xì)胞的分化。干細(xì)胞功能的穩(wěn)定對植物的胚后發(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、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。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，甚至沒有病毒，其機(jī)制長期以來一直是未解之謎。

為了回答上述問題，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。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。

該研究證實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病毒侵染整個莖頂端分生組織。通過正反改變內(nèi)源WUS的含量，研究人員證實了干細(xì)胞重要調(diào)控基因WUS在免疫病毒中的關(guān)鍵作用。

為了解析WUS介導(dǎo)的干細(xì)胞免疫病毒的分子機(jī)制，研究人員通過轉(zhuǎn)錄組學(xué)分析，鑒定了一類受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)。生化實驗證明該甲基轉(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，說明WUS介導(dǎo)的抗病毒免疫可以針對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、組裝和侵染過程。而干細(xì)胞關(guān)鍵調(diào)節(jié)基因WUS則通過直接抑制細(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而未決的生物學(xué)問題，同時也為未來作物抗病毒防治提供了新的技術(shù)策略。

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