植物如何才能「百毒不侵」？我科學家發現植物幹細胞廣譜抗病毒機制
2020-10-09 經點科學北京時間10月9日凌晨兩點，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尖雜誌《科學》（Science）上刊發。研究者通過發育生物學和植物病毒學兩個領域的交叉研究，找到了植物幹細胞免疫病毒的關鍵因子——WUSCHEL（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，人們往往更熟知那些在動物尤其是人類之間傳播的病毒。但你知道嗎，植物也非常害怕病毒。
植物一旦萌發以後，不能移動位置，是一種固著生長的方式。這種生長方式讓植物經常會面臨各種不利環境，且不能像動物一樣逃離。
目前，植物病毒病害已經成為農業生產中的第二大病害，植物一旦染上病毒將帶來毀滅性的後果。比如，在水稻中由稻飛蝨傳播的病毒會帶來條紋葉枯病和黑條矮縮病，一旦爆發，輕則減產16%左右，重則絕收。
植物病毒種類繁多，已知的植物病毒就有1000多種，現有的抗病毒手段只能針對少數的病毒，且隨著病毒不斷進化，抗性也會逐漸減弱。儘管國內外研究人員已經從多個角度進行了大量的研究，包括RNA幹擾，細胞自噬和植物激素等途徑，但是對於植物幹細胞存在廣譜抗病毒能力的原因仍然不清楚。
不過，有一種傳統的清除植物體內病毒的方式，叫做「莖尖脫毒」。它是少有的可以應用於大多數植物、清除其體內病毒的最有效的生物技術。
在上世紀50年代，人們發現，一株植物感染病毒後，把它的莖尖切下來，放在試管內進行培養，這個植物會逐漸長大，長大以後再把莖尖切下來，再進行培養，經過幾輪這樣的培養後，植物的病毒神奇地消失了。這個技術就是「莖尖脫毒」，後來被廣泛應用在各種農作物中。
莖尖組織為什麼能夠抗病毒？為什麼這種技術能夠幫助不同的植物抵抗病毒？為什麼它能抗很多不同類型的病毒？這些深層機理過去一直未被揭示，現在卻被趙忠教授團隊揭開了謎底。
趙忠團隊另闢蹊徑，以傳統的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：「我們課題組經過幾年的研究，發現在植物的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的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就會響應病毒，它的表達量會急速提高，同時會離開它原來所在的細胞，到整個植株的頂端，來保護幹細胞和它新生的後代細胞免於病毒的侵襲。」
為什麼WUS蛋白能夠抵禦病毒的侵襲？
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，它要想繁殖，就必須要利用它的宿主細胞內的所有的生命活動的系統，包括蛋白質合成，包括各種能量和能源物質。也就是說，一旦病毒侵入宿主的健康細胞以後，它就會劫持宿主細胞內所有的生命活動體系來為它自己服務。
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。對於植物的幹細胞來說，抗病毒蛋白WUS能夠抑制植物體內的蛋白質合成系統。這樣病毒進入植物細胞以後，就無法利用植物體內的合成系統來替自己合成蛋白質，也就不能進行繁殖和擴散。這就達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」，研究人員在植物其它細胞中表達WUS蛋白，可以保護植物免受病毒的感染。「當我們把WUS蛋白表達在葉片裡的時候，我們發現整株植物都會受到保護。」趙忠說。
幹細胞抗病毒蛋白廣譜抗病毒示意圖。美術設計：武海軍等
同時研究人員還檢查了多種病毒，並證實WUS蛋白均可以抑制這些病毒對植物細胞的感染，說明WUS蛋白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。同行專家評論說：「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抗病毒防治提供一個新的研究思路，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，使得大部分的作物能夠抵禦病毒的入侵。」趙忠說。
經濟日報經點科學工作室
記者：佘惠敏
文中圖片由中國科學技術大學提供
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