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《Science》揭示植物干細胞如何免疫病毒?

中國科學技術大學生命科學與醫學部、合肥微尺度物質科學國家研究中心分子與細胞生物物理研究部趙忠教授課題組,近期揭示了植物干細胞抵御病毒侵染的分子機制。首次在植物廣譜病毒抗性和分生組織維持機制之間建立了精確的分子聯系,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問題。相關成果以“WUSCHEL triggers innate antiviral immunity in plant stem cells”為題,于2020年10月9日發表于《Science》雜志。

植物干細胞是植物胚后發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胞的分化。干細胞功能的穩定對植物的胚后發育至關重要,因此干細胞受到了植物體的嚴密保護,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業的第二大病害,嚴重影響了作物的產量和品質,甚至絕收。目前尚無有效的農藥或化學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,以防止病毒擴散。而莖尖脫毒技術是迄今唯一有效的、能夠清除植物體內多種病毒的生物技術。該技術自上世紀50年代起,廣泛應用于農業生產以獲得脫毒苗,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。這一技術應用的生物學基礎是植物莖頂端分生組織病毒含量少,甚至沒有病毒,其機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追蹤定位了黃瓜花葉病毒(Cucumber Mosaic Virus, CMV)的分布模式。發現在莖頂端分生組織中CMV病毒恰好分布在干細胞重要調節子WUSCHEL(WUS)基因表達的下沿,不能感染植物干細胞所在中央區以及分化細胞所在的周邊區和幼嫩花原基(圖1)。進一步的發現表明,干細胞中WUS蛋白受病毒誘導積累,且異位移動到周邊區,保護干細胞及其分化的子細胞不受病毒的侵染(圖1)。


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圖1 植物病毒不能侵染WUS蛋白所在的干細胞區域及周邊分化細胞


該研究證實如果在擬南芥葉片中異位表達WUS蛋白,可以保護整株植物不受CMV病毒的侵染。反之,在植物干細胞中可誘導的降解WUS蛋白,則導致CMV病毒侵染整個莖頂端分生組織。通過正反改變內源WUS的含量,研究人員證實了干細胞重要調控基因WUS在免疫病毒中的關鍵作用。

為了解析WUS介導的干細胞免疫病毒的分子機制,研究人員通過轉錄組學分析,鑒定了一類受WUS蛋白直接調控的下游基因:SAM甲基轉移酶(S-adenosyl-L-methionine-dependent methyltransferases, MTases)。生化實驗證明該甲基轉移酶參與了25S核糖體RNA(25S rRNAs)的m5C甲基化。WUS直接抑制MTases基因的表達,影響了核糖體RNA的加工和核糖體的穩態,進而可以抑制病毒蛋白質的合成。

為了研究WUS介導的干細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),得到了一致的結論,說明WUS介導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。這就進一步解釋了為什么莖尖脫毒可以應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制。在侵染過程中,病毒必須利用植物細胞內的蛋白質合成系統合成自身的蛋白,以完成自身的復制、組裝和侵染過程。而干細胞關鍵調節基因WUS則通過直接抑制細胞內蛋白質合成的速率,限制了病毒的復制和傳播(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問題,同時也為未來作物抗病毒防治提供了新的技術策略。


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圖2 圖示說明WUS介導干細胞免疫病毒的分子機制


中國科學技術大學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。廣州大學董志誠教授和德國海德堡大學Jan U. Lohmann教授也參與了該研究。該研究得到了中科院B類先導、國家自然科學基金、科技部重大研究計劃項目的資助。


文章來源:Science

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