植物如何抵抗病毒？

來源：中科院之聲

年初以來，新型冠狀病毒讓大家對病毒的嚴重危害有了更深刻的認識。實際上，無論人類、其他動物或是植物，都可能受到病毒的威脅。然而迄今爲止，沒有任何一個藥物可以將病毒完全消滅，人類只能依靠自身免疫力抵抗病毒。同樣，植物一旦染上病毒將帶來毀滅性的後果，病毒的快速傳播最終可能使整片良田化爲烏有。比如水稻中由稻飛蝨傳播的病毒（水稻條紋病毒和黑條矮縮病病毒）一旦爆發，輕則減產16%左右，重則絕收。

目前，植物病毒感染已經成爲農業生產中的第二大病害，每年在全球造成巨大的經濟損失。民以食爲天，糧食是人類生存之本，糧食安全關係着國計民生。然而今年，在新冠肺炎疫情、蝗災和極端氣候等多種因素疊加下，全球的糧食安全面臨着巨大考驗。如何培育廣譜抗病毒的優良品種，成爲應對糧食危機的一個重要途徑。

現狀：蟲害可防，病害難愈

植物病毒病源種類繁多，目前已知有1000多種，主要由昆蟲傳播。因爲無法直接抑制病毒，目前農業上從傳播途徑入手，通過噴灑農藥的方式殺死傳播病毒的“使者”。從1978到2011年，雖然我國糧食增產了87.4%，不到一倍，但農藥產量增加近百倍，這相當於中國14億人口，平均每人每年要消耗將近2.67公斤農藥！這不僅極大得增加了農業生產的直接經濟成本，同時噴灑的農藥更可能對人和環境造成持續的傷害。無法治癒、高傳染性的植物病毒對國家糧食安全的威脅已經不容忽視。

目前最穩定可靠的“莖尖脫毒”是清除植物體內病毒、獲得脫毒植物的最佳生物技術。科學家們在無菌環境下將感染病毒植物的莖尖切下，放到裝有培養基的試管中培養。植物長大後再次將莖尖切下進行培養，重複幾輪操作後，就可以獲得沒有病毒感染的植物。從上世紀50年代這一生物學現象被發現到目前，該技術是唯一一個能夠在植物體內把病毒徹底清除的辦法，被廣泛應用於無毒苗的生產並被植物抗病毒領域長期關注。這一技術的優點在於具有普適性，對於絕大部分植物及其感染的不同病毒都可以清除，是一個廣譜的抗病毒方法；缺點是需要體外培養、步驟繁瑣，經濟代價很高。解析莖尖內在的廣譜抗病毒機制、尋找抗病毒蛋白，對於培育新型廣譜抗病毒作物具有重要的意義。

跨領域新發現：WUS激活幹細胞抗病毒免疫

自上世紀中葉發現植物莖尖脫毒現象以來，人們推測植物莖尖中病毒含量少或者沒有病毒，大量的科研工作者圍繞這一科學問題進行探索研究，其機制一直未被揭示。

中國科學技術大學趙忠教授自2011年回國後，從發育生物學角度入手，結合病毒學相關知識，通過兩個領域的交叉，歷經近8年時間潛心研究，發現了WUSCHEL（WUS）蛋白激活幹細胞免疫病毒的分子機制。該成果以 WUSCHEL triggers innate antiviral immunity in plant stem cells 爲題於10月9日發表在 Science 期刊上。

在長期的進化過程中，植物很難完全戰勝病毒，病毒總是會想盡各種辦法去侵染細胞。該研究團隊發現，儘管病毒能夠入侵絕大部分細胞，但有一類特殊的細胞病毒無法侵染，那就是幹細胞。這是一類被植物嚴格保護的、具有至關重要的生物學功能的細胞。發育生物學知識告訴我們，植物幹細胞是植物胚後發育所有組織器官分化的源泉，具有無限分化的潛能。植物絕大部分器官，包括根、莖、葉、花和果實均來自幹細胞的分化。因此，幹細胞的穩定對植物的生長發育至關重要，特別是需要嚴密保護幹細胞避免其遭受外界病原微生物和不良環境的脅迫。所以，如果能夠揭示幹細胞的抗病毒機制，讓其它細胞也具有類似的能力，那麼就可以使得整個植物擁有抵禦病毒侵襲的能力。因此，具有高度抗病毒能力的植物幹細胞擁有很高的關注度。

植物幹細胞廣譜抗病毒機制示意圖（美術設計：馬子頌，梁琰）

爲了驗證植物莖尖（莖頂端分生組織）病毒含量少的假設，趙忠教授團隊首先在擬南芥體內追蹤定位了黃瓜花葉病毒（Cucumber Mosaic Virus， CMV）的分佈模式。發現在擬南芥莖頂端分生組織中CMV病毒恰好分佈在幹細胞重要調節子 WUS基因表達的下沿，不能感染植物幹細胞及其新近分化的子細胞。

那究竟是什麼原因導致植物幹細胞成功抵禦了病毒的侵染呢？想要了解這一問題，就要從病毒感染動植物的機制說起。病毒結構非常簡單，是由一些RNA或DNA分子和外殼蛋白組成。病毒在繁殖過程中，首先侵入植物細胞內將自己的遺傳物質（RNA或DNA）釋放出來，之後搶奪植物細胞內所有的蛋白質合成機器，合成大量病毒，最後以至於把整個細胞摧毀，然後複製的病毒突破細胞再去感染其它正常細胞。因此，病毒的存活和繁殖需要依賴植物細胞給它提供所需的能量和物質，其中就包括最重要的蛋白質合成。

在植物幹細胞中，WUS蛋白是一個功能非常保守的蛋白質，從低等植物到高等植物都含有這個蛋白。趙忠教授團隊發現幹細胞一旦感知到病毒的來臨，WUS蛋白會被迅速誘導，抑制蛋白質合成中的最關鍵設備-核糖體，極大地降低植物細胞內的蛋白質合成能力。這樣病毒進入後，無法利用植物細胞合成病毒蛋白，因而病毒不能進行有效的複製，也就無法繼續侵染其他細胞。

病毒入侵時WUS蛋白不僅能夠保護幹細胞，同時還能夠“逆行”移動到幹細胞周邊，保護幹細胞新生的後代細胞免於病毒感染。研究人員進一步通過關鍵的遺傳實驗證實，在植物其它細胞中表達WUS蛋白，可以保護整株植物免受CMV病毒的感染。反之，在植物幹細胞中可誘導的降解WUS蛋白，則會導致病毒侵染整個幹細胞區域以及周邊細胞。通過正反改變內源WUS的含量，證實了幹細胞關鍵調節子WUS在植物抗病毒免疫中的關鍵作用。

植物細胞中的WUS通過破壞細胞蛋白質合成來阻止病毒複製，保持了細胞的健康狀態。（美術設計：陳磊梁琰）

同時，WUS蛋白也可以成爲其他細胞抵抗病毒的“利器”，團隊成員還檢查了多種病毒，包括蕪菁皺縮病毒（Turnip crinkle virus， TCV），菸草脆裂病毒（tobacco rattle virus， TRV）和蕪菁花葉病毒（turnip mosaic virus， TuMV），並證實WUS均可以抑制這些病毒對植物細胞的感染，說明WUS介導的幹細胞病毒免疫具有廣譜性。

這項工作研究了植物分生組織廣泛存在的廣譜抗病毒免疫活性，第一次發現在病毒抗性和分生組織維持基因之間存在如此精確的分子連接。同行專家評論：“此研究解決了一個長期存在且備受關注的問題，是植物病理學和植物發育領域的一個開創性研究。”

下一步，研究團隊計劃怎樣將其應用到育種中，基於蛋白質人工進化技術，篩選高抗病蛋白，並利用生物技術轉入多種作物中，以得到廣譜高抗病的作物新品種。團隊研究人員表示， WUS作爲一個保守的幹細胞調節蛋白，其同源蛋白存在於多種植物中。WUS蛋白介導的廣譜抗病毒機制可以爲多種作物抗病毒防治提供一個新的研究思路，可能爲解決全球糧食穩產帶來新曙光。

參考文獻：

1。 R。 K。 Yadav et al。 WUSCHEL protein movement mediates stem cell homeostasis in the Arabidopsis shoot apex。 Genes Dev。 25，2025-2030，（2011）。

2。 Y。 Ma et al。 WUSCHEL acts as an auxin response rheostat to maintain apical stem cells in Arabidopsis。 Nat。 Commun。 10，5093 （2019）。

3。 H。 Wu et al。 WUSCHEL triggers innate antiviral immunity in plant stem cells。 Science。 370， 227-231 （2020）。

來源：中國科學技術大學