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微生物所叶健课题组人工设计抗病毒R蛋白以提高植物抗病性

  • 转自： 现代农业 Modern Agriculture
  • Published: 2022-12-17
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       人类在面对重大病毒疾病流行中，可以通过疫苗、抗体和抗病毒药物有效地抑制病毒的传播和复制。在粮食作物和经济作物生长中，病毒病害也严重的影响了其产量和品质，甚至引起作物的绝收，抗植物病毒病害尚主要依赖于杀灭传毒媒介昆虫的化学农药来控制其危害。抵御病原引起的病害另一个重要办法是利用植物中已有的抗病基因 (Resistance genes, R基因) 进行抗病育种，也是更为环境友好和为大众所接受的方式。R基因通常编码细胞表面或细胞内区域的核苷酸结合富含亮氨酸重复序列蛋白(Nucleotide-binding leucine-rich repeat proteins, NLR)，以感知微生物病原体，通过启动程序性细胞死亡激活免疫信号。最近我国科学家一系列的重大发现，促进了对于NLR介导的植物抗病小体(Resistosome)的结构的认识。通过细胞和生化分析中获得的综合知识表明，对病原体的间接和直接识别都可以触发植物NLRs寡聚化形成活性复合物，从而介导细胞死亡并抑制病原菌繁殖。NLRs的CC (coiled-coil) 结构域通常被认为是NLRs的信号执行结构域, 特别是ZAR1 N端CC结构域中的氨基酸决定了其离子通道活性。目前人类已经成功发现并利用的抗病毒NLR蛋白十分有限，大大限制了其在抗病毒生物育种中的应用进程。抗病小体调控和激活的核心分子机制为将来更好利用抗病蛋白培育抗病毒植物提供新的可能性——比如设计新型抗病蛋白育种，大大减少化学农药的施用。
       番茄斑萎病毒（Tomato spotted wilt orthotospovirus，TSWV）是布尼亚病毒目唯一侵染植物的番茄斑萎病毒科的病毒之一。其寄主广泛，能够侵染82科900多种单、双子叶植物，严重危害许多蔬菜作物、经济作物和园艺作物，是全球第二大植物病毒。除了植物激素茉莉素和水杨酸被证明在此抗性中发挥作用外，抗病基因Tsw是唯一一个在辣椒种(辣椒属，茄科)中被鉴定对TSWV具有抗性的R基因，编码一种NLR蛋白。但是Tsw的抗病毒特性并不理想，热稳定性差，抗性突破病毒株系时有报道，而且该基因直到2017年才被韩国科学家克隆报道，因而 Tsw介导抗性的分子和细胞机制尚未能解析。
       中国科学院微生物研究所叶健课题组长期以我国重要经济作物植物虫媒病毒为研究对象，开展植物抗虫媒病毒机制及防控基础研究。近几年来他们陆续发现了植物双生病毒和植物布尼亚病毒与其各自的媒介昆虫烟粉虱与西花蓟马形成互惠共生关系，从而促进病害传播 (Li et al., 2014; Wu et al., 2019; Zhao et al., 2019)。近期发现TSWV可以通过种子传播 (Wang et al., 2022)，为虫媒病害的传播方式以及流行规律提供了研究基础 。
2022年12月7日，叶健课题组在Journal of Experimental Botany上发表了题为“Structure–function analyses of coiled-coil immune receptors define a hydrophobic module for improving plant virus resistance”的研究论文，结合人工智能预测、结构模拟分析和分子遗传实验，揭示了Tsw蛋白的结构和细胞功能特征，并确定了一个关键疏水模块，以提高NLR介导的病毒抗性。
       研究发现Tsw CC结构域的质膜相关N-末端137氨基酸片段是触发本生烟细胞死亡的最小片段。利用Tsw CC结构模拟分析，设计了两个超疏水漏斗状突变体TswY137W与TswV134W，这两个突变体均可以引起更强的植物坏死反应。
                                                    图1 Tsw CC结构域疏水模块的功能分析
        随后利用瞬时表达和转基因植物接毒实验发现，CC结构域的疏水槽的氨基酸突变 (Y137W氨基酸) 对其功能至关重要，该突变体可以提高辣椒和烟草对TSWV的抗性。且番茄Tsw-like NLR蛋白的同位点突变也提高了其介导的抗性，这些结果表明可以通过结构—功能分析来改造NLR蛋白从而提高其介导的抗性。该研究为进一步利用基因编辑技术，在辣椒等作物中设计和改造抗病蛋白、设计新型抗病育种，奠定了理论基础，预计将会大大减少化学农药的施用。
                                  图2 Tsw CC结构域疏水模块关键氨基酸Y137W突变提高植物抗性
中国科学院微生物研究所的博士毕业生吴秀娟、助理研究员张璇为该论文的共同第一作者，叶健研究员为论文的通讯作者。微生物所方荣祥院士参与指导该论文。该研究得到科技部重、国家自然科学基金等项目的资助。

参考文献:

  1. Wang J, Hu M, Wang J, Qi J, Han Z, Wang G, Qi Y, Wang HW, Zhou JM, Chai J. 2019a. Reconstitutionand structure of a plant NLR resistosome conferring immunity. Science 364(6435): eaav5870.

  2. Wang J, Wang J, Hu M, Wu S, Qi J, Wang G, Han Z, Qi Y, Gao N, Wang HW, et al. 2019b. Ligand-triggered allosteric ADP release primes a plant NLR complex. Science 364(6435): eaav5868

  3. Li, R., Weldegergis, B.T., Li, J., Jung, C., Qu, J., Sun, Y., Qian, H., Tee, C., van Loon, J.J.A., Dicke, M., et al. (2014). Virulence Factors of Geminivirus Interact with MYC2 to Subvert Plant Resistance and Promote Vector Performance  The Plant Cell 26, 4991-5008.

  4. Wang, H., Wu, X., Huang, X., Wei, S., Lu, Z., and Ye, J. (2022). Seed Transmission of Tomato Spotted Wilt Orthotospovirus in Peppers. Viruses 14.

  5. Wu, X., Xu, S., Zhao, P., Zhang, X., Yao, X., Sun, Y., Fang, R., and Ye, J. (2019). The Orthotospovirus nonstructural protein NSs suppresses plant MYC-regulated jasmonate signaling leading to enhanced vector attraction and performance. PLoS Pathog 15, e1007897.

  6. Zhao, P., Yao, X., Cai, C., Li, R., Du, J., Sun, Y., Wang, M., Zou, Z., Wang, Q., Kliebenstein, D.J., et al. (2019). Viruses mobilize plant immunity to deter nonvector insect herbivores. Science Advances 5, eaav9801.

  7. Wu, X.,Zhang, X.,Wang,H.W., Fang, R.X., Ye, J. (2022) Journal of Experimental Botany. Journal of Experimental Botany, erac477, https://doi.org/10.1093/jxb/erac477

 

论文链接：

https://doi.org/10.1093/jxb/erac477