中國科學技術大學今日在Science連發兩篇重要成果

2020-10-14 科轉雲


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，近期揭示了植物幹細胞抵禦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繫，回答了為什麼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，於2020年10月9日發表於《Science》雜誌。


植物幹細胞是植物胚後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。在植物胚後發育中，除子葉、下胚軸和初生根之外所有的組織和器官均來自幹細胞的分化。幹細胞功能的穩定對植物的胚後發育至關重要，因此幹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製劑能夠特異性地防治植物病毒，必要時只能將染病植株剷除，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，廣泛應用於農業生產以獲得脫毒苗，並在馬鈴薯、蔬菜、果樹、草莓、花卉等作物中大面積推廣。該技術適用作物範圍廣，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病毒恰好分布在幹細胞重要調節子WUSCHEL（WUS）基因表達的下沿，不能感染植物幹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，幹細胞中WUS蛋白受病毒誘導積累，且異位移動到周邊區，保護幹細胞及其分化的子細胞不受病毒的侵染（圖1）。


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，在植物幹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，研究人員證實了幹細胞重要調控基因WUS在免疫病毒中的關鍵作用。


圖1 植物病毒不能侵染WUS蛋白所在的幹細胞區域及周邊分化細胞


為了解析WUS介導的幹細胞免疫病毒的分子機制，研究人員通過轉錄組學分析，鑑定了一類受WUS蛋白直接調控的下遊基因：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介導的幹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)、菸草脆裂病毒(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。由於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麼莖尖脫毒可以應用於多種不同種屬的植物，並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，以完成自身的複製、組裝和侵染過程。而幹細胞關鍵調節基因WUS則通過直接抑制細胞內蛋白質合成的速率，限制了病毒的複製和傳播（圖2）。該研究不僅回答了為什麼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。


圖2 圖示說明WUS介導幹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。


論文連結：https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abb7360




中國科大合肥微尺度物質科學國家研究中心和化學與材料科學學院中科院能量轉換材料重點實驗室季恆星教授聯合美國加州大學洛杉磯分校段鑲鋒教授等在鋰離子電池領域取得重要進展。研究成果以「Black Phosphorus Composites with Engineered Interfaces for High-Rate High-Capacity Lithium Storage」為題，於2020年10月9日發表於《Science》雜誌。


消費電子、電動汽車、分布式儲能等產業的快速發展對鋰離子電池綜合性能提出了越來越高的要求。例如：傳統燃油汽車僅需五分鐘即可滿油增程500公裡，而目前市售最先進的電動汽車則需要充電一小時才能達到同樣的增程效果，雖然電動汽車愈發受到市場青睞，但漫長的充電時間也讓人望而卻步。發展具有高能量密度、高功率密度、長循環壽命的鋰離子電池已成為電化學能源領域的重要方向。


決定鋰離子電池功率密度的關鍵之一在於負極材料的倍率性能。季恆星課題組近年來的研究發現：黑磷用作鹼金屬離子電池負極具有極高的質量容量（Angew. Chem. Int. Ed.2020,59, 2318；ACS Appl. Mater. Inter.2019,11, 16656），且黑磷的層狀結構和半導體性質也預示黑磷應具有極高的倍率性能。但是深入研究發現黑磷容易從二維片層的邊緣開始發生結構的破壞（J. Am. Chem. Soc.2018,140, 7561），通過化學修飾可以穩定黑磷的邊界結構並伴隨著相關物理性質的重現（Angew. Chem. Int. Ed.2019,58, 1479；Adv. Mater.2017,29, 1605776）。受這些研究結果啟發，季恆星等採用高能球磨的辦法獲得了黑磷納米片與石墨納米片並肩平行排列且通過碳-磷共價鍵連接的複合材料，使鋰離子能夠在複合材料內高效穿梭；更進一步通過聚苯胺包覆優化固態電解質界面膜，使鋰離子能夠快速進入複合材料（圖1）。


圖1.黑磷複合負極材料結構和儲鋰性能（原圖摘自論文並由課題組提供）


複合材料在壓實密度達到1.49 g/cm-3的條件下可在13 A/g的電流密度下實現近500 mAh/g（複合材料）的可逆質量容量，並穩定循環達2000次。電化學原位X-射線吸收譜和飛行時間二次離子質譜測試結果分別表明：碳-磷共價鍵的形成是提高黑磷電化學反應能力的關鍵；聚苯胺經電解液溶劑溶脹形成富含有機組分的固態電解質界面膜，是提高鋰離子進入複合材料顆粒能力的關鍵。


本工作對優選電極材料體系並通過界面設計挖掘電極性能潛力具有重要的借鑑，以期推動鋰離子電池的包括能量密度、功率密度和循環壽命在內的綜合性能指標的進步。論文第一作者是合肥微尺度物質科學國家研究中心的博士研究生金洪昌。該研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委、安徽省等的支持。


全文連結：https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.aav5842

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