植物如何「百毒不侵」

2020-11-08 光明網

趙忠教授團隊成員在做實驗。 （資料圖片）

幹細胞抗病毒蛋白廣譜抗病毒示意圖。美術設計：武海軍等

本報記者 佘惠敏

日前，中國科學技術大學趙忠教授團隊的一項科研成果在國際頂級雜誌《科學》上刊發。他們通過發育生物學與植物病毒學交叉研究，找到了植物幹細胞免疫病毒的關鍵因子——USCHEL（WUS）蛋白，揭示了植物幹細胞的廣譜抗病毒機制。

神秘的「莖尖脫毒」

病毒是自然界廣泛存在的微生物，植物對其非常害怕。植物固定的生長方式使其經常面臨各種不利環境，且不能像動物一樣逃離。目前，植物病毒病害已成為農業生產中的第二大危害，植物一旦染上病毒將帶來毀滅性後果。比如，在水稻中由稻飛蝨傳播的病毒一旦爆發，輕則減產16%左右，重則絕收。

植物病毒種類繁多，已知的就有1000多種。然而，現有抗病毒手段僅能針對少數病毒，且隨著病毒不斷進化，抗性會逐漸減弱。儘管全球研究人員已從多個角度開展了大量研究，但對於植物幹細胞存在廣譜抗病毒能力的原因仍不明確。不過，有一種傳統清除植物體內病毒的方式，叫作「莖尖脫毒」。它是一種可以應用於大多數植物、清除其體內病毒的最有效生物技術。上世紀50年代，人們發現一株植物感染病毒後，將其莖尖切下來放在試管內培養，待逐漸長大後再將其植物莖尖切下來培養，經過幾輪這樣的培養後，植物病毒神奇地消失了。這個技術就是「莖尖脫毒」，後來被廣泛應用於各種農作物中。

莖尖組織為什麼能夠抗病毒？為什麼這種技術能幫助不同植物抵抗病毒？為什麼它能抗很多不同類型病毒？這些深層機理過去一直未被揭示——現在，趙忠教授團隊揭開了謎底。他們另闢蹊徑，以傳統「莖尖脫毒」技術為靈感來源，歷經8年潛心研究，發現WUS是一個存在於植物幹細胞中的關鍵抗病毒蛋白。

神奇的「WUS蛋白」

趙忠教授介紹說：「我們課題組經過幾年研究發現，在植物莖頂端存在一個非常重要的抗病毒蛋白WUS。它在正常情況下存在於莖尖一個非常特殊的細胞類型——幹細胞內。一旦病毒侵入植物，這些幹細胞內的抗病毒蛋白會響應病毒，其表達量會急速提高，同時會離開原來所在細胞，到達整個植株頂端，以保護幹細胞與其新生的後代細胞免於病毒侵襲。」

為什麼WUS蛋白能夠抵禦病毒侵襲？病毒是非常簡單的生命體，只有蛋白和核酸兩種成分。對於病毒來說，要想繁殖，必須利用其宿主細胞內所有生命活動的系統，包括蛋白質合成、各種能量和能源物質。也就是說，一旦病毒侵入宿主健康細胞後，它就會劫持宿主細胞內所有生命活動體系來為自己服務。

幹細胞內的WUS是一個非常保守的蛋白，從低等植物到高等植物中普遍存在。對於植物幹細胞來說，抗病毒蛋白WUS能夠抑制植物體內的蛋白質合成系統。這樣一來，病毒進入植物細胞後就無法利用植物體內的合成系統來替自己合成蛋白質，也就是不能繁殖和擴散——這就起到了非常重要的抑制病毒侵染的作用。同時，WUS蛋白也可以成為其他細胞抵抗病毒的「利器」。研究人員在植物的其他細胞中表達WUS蛋白，可以保護植物免受病毒感染。「當我們把WUS蛋白表達在葉片裡時，我們發現整株植物都會受到保護。」趙忠教授說。

研究人員還檢查了多種病毒，並證實WUS蛋白可以抑制這些病毒對植物細胞的感染，這說明WUS蛋白介導的幹細胞病毒免疫具有廣譜性。

同行專家表示：「此項研究解決了一個長期存在且備受關注的問題，是植物病理學與植物發育領域的一項開創性研究。」

下一步，該研究團隊計劃將這一研究應用到育種之中，基於蛋白質人工進化技術篩選高抗病蛋白，並利用生物技術植入多種作物中，以得到廣譜高抗病作物新品種。團隊研究人員表示，WUS作為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為多種作物的抗病毒防治提供新的研究思路，可能為解決全球糧食穩產問題帶來新曙光。「我們希望未來能夠用這種新的方式，幫助大部分作物抵禦病毒入侵。」趙忠教授說。

作者：佘惠敏

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來源： 經濟日報

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