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2020年11月12日
【经济日报】植物如何“百毒不侵” 我科学家发现植物干细胞广谱抗病毒机制

赵忠教授团队成员在做实验。 (资料图片)

干细胞抗病毒蛋白广谱抗病毒示意图。美术设计:武海军等

本报记者 佘惠敏

日前,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级杂志《科学》上刊发。他们通过发育生物学与植物病毒学交叉研究,找到了植物干细胞免疫病毒的关键因子——USCHEL(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,植物对其非常害怕。植物固定的生长方式使其经常面临各种不利环境,且不能像动物一样逃离。目前,植物病毒病害已成为农业生产中的第二大危害,植物一旦染上病毒将带来毁灭性后果。比如,在水稻中由稻飞虱传播的病毒一旦爆发,轻则减产16%左右,重则绝收。

植物病毒种类繁多,已知的就有1000多种。然而,现有抗病毒手段仅能针对少数病毒,且随着病毒不断进化,抗性会逐渐减弱。尽管全球研究人员已从多个角度开展了大量研究,但对于植物干细胞存在广谱抗病毒能力的原因仍不明确。不过,有一种传统清除植物体内病毒的方式,叫作“茎尖脱毒”。它是一种可以应用于大多数植物、清除其体内病毒的最有效生物技术。上世纪50年代,人们发现一株植物感染病毒后,将其茎尖切下来放在试管内培养,待逐渐长大后再将其植物茎尖切下来培养,经过几轮这样的培养后,植物病毒神奇地消失了。这个技术就是“茎尖脱毒”,后来被广泛应用于各种农作物中。

茎尖组织为什么能够抗病毒?为什么这种技术能帮助不同植物抵抗病毒?为什么它能抗很多不同类型病毒?这些深层机理过去一直未被揭示——现在,赵忠教授团队揭开了谜底。他们另辟蹊径,以传统“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”

赵忠教授介绍说:“我们课题组经过几年研究发现,在植物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会响应病毒,其表达量会急速提高,同时会离开原来所在细胞,到达整个植株顶端,以保护干细胞与其新生的后代细胞免于病毒侵袭。”

为什么WUS蛋白能够抵御病毒侵袭?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,要想繁殖,必须利用其宿主细胞内所有生命活动的系统,包括蛋白质合成、各种能量和能源物质。也就是说,一旦病毒侵入宿主健康细胞后,它就会劫持宿主细胞内所有生命活动体系来为自己服务。

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。这样一来,病毒进入植物细胞后就无法利用植物体内的合成系统来替自己合成蛋白质,也就是不能繁殖和扩散——这就起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”。研究人员在植物的其他细胞中表达WUS蛋白,可以保护植物免受病毒感染。“当我们把WUS蛋白表达在叶片里时,我们发现整株植物都会受到保护。”赵忠教授说。

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

同行专家表示:“此项研究解决了一个长期存在且备受关注的问题,是植物病理学与植物发育领域的一项开创性研究。”

下一步,该研究团队计划将这一研究应用到育种之中,基于蛋白质人工进化技术筛选高抗病蛋白,并利用生物技术植入多种作物中,以得到广谱高抗病作物新品种。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的抗病毒防治提供新的研究思路,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,帮助大部分作物抵御病毒入侵。”赵忠教授说。

《经济日报》(2020年11月8日10版)

http://paper.ce.cn/jjrb/html/2020-11/08/content_431631.htm

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