北京大學(xué)生命學(xué)院李毅課題組在Science Advances發(fā)文揭示微量元素銅增強(qiáng)水稻抗病毒分子機(jī)制

　　近日，Science Advances發(fā)表了來自北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院李毅教授課題組的“The key micronutrient copper orchestrates broad-spectrum virus resistance in rice”研究論文（2022，Vol.8， issue 26.DOI:10.1126/sciadv.abm0660），揭示了重要微量元素銅介導(dǎo)的水稻廣譜抗病毒分子機(jī)制。

 

　　水稻是我國最重要糧食作物之一，是全球半數(shù)以上人口的主食。由介體昆蟲傳播的水稻病毒病是造成水稻嚴(yán)重減產(chǎn)的主要病害之一。其中，由水稻條紋病毒（RSV）造成的水稻條紋葉枯病以及水稻矮縮病毒（RDV）造成的水稻矮縮病在中國、韓國和日本等地反復(fù)爆發(fā)，嚴(yán)重影響水稻品質(zhì)與安全生產(chǎn)。然而，目前對(duì)于水稻在遭受病毒侵染后的分子響應(yīng)機(jī)制研究還有待深入，在實(shí)際生產(chǎn)中也缺乏有效的控制方法。

 

　　李毅課題組多年來聚焦于病毒和宿主水稻以及媒介昆蟲之間的互作關(guān)系。課題組先前的研究發(fā)現(xiàn)，RSV侵染水稻后，病毒外殼蛋白（CP）能夠誘導(dǎo)植物體內(nèi)茉莉酸（JA）含量顯著積累，JA通路關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子JAMYB能夠結(jié)合并激活RNA沉默通路核心因子AGO18的啟動(dòng)子，從而誘導(dǎo)AGO18表達(dá)（Yang et al.,2020,Cell Host & Microbe）。AGO18一方面能夠結(jié)合miR168以抑制其對(duì)AGO1的切割作用，使得AGO1可以通過結(jié)合病毒siRNA介導(dǎo)抗病毒免疫（Wu et al., 2015, eLife）；另一方面，AGO18還能夠與AGO1競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合miR528，釋放miR528的靶標(biāo)基因抗壞血酸氧化酶（AO），調(diào)節(jié)植物體內(nèi)的氧化還原穩(wěn)態(tài)，促進(jìn)活性氧（ROS）的積累從而增強(qiáng)水稻的抗病毒免疫（Wu et al., 2017,Nature Plants）。此外，課題組還發(fā)現(xiàn)，miR528的轉(zhuǎn)錄因子SPL9在病毒侵染以后蛋白含量顯著減少，因此受到SPL9轉(zhuǎn)錄激活調(diào)控的miR528積累減少，進(jìn)而提高了靶基因AO的表達(dá)，增強(qiáng)了水稻的抗病毒能力（Yao et al., 2019,Molecular Plant）。

 

　　近日，李毅課題組在上述水稻抗病毒免疫基礎(chǔ)上，報(bào)道了重要的微量元素銅能夠通過抑制SPL9來增強(qiáng)水稻的抗病毒能力。銅離子是植物正常生長以及響應(yīng)逆境的一種重要微量元素，以銅離子為主要組分的波爾多液在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也被廣泛使用，但是銅離子是否影響植物抗病毒能力仍然缺乏研究。李毅課題組的研究發(fā)現(xiàn)，銅離子轉(zhuǎn)運(yùn)和銅離子結(jié)合蛋白編碼基因在病毒侵染水稻以后，受到顯著誘導(dǎo)或抑制，并且銅離子轉(zhuǎn)運(yùn)突變體對(duì)病毒侵染更為敏感。此外，銅離子在病毒侵染水稻后會(huì)發(fā)生含量與分布變化，病毒侵染能夠促進(jìn)銅離子在水稻地上部分積累，有趣的是，盡管葉片總的銅含量在病毒侵染后增加，通過透射電鏡-能譜儀以及分離亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)測(cè)定銅含量，研究發(fā)現(xiàn)病毒侵染會(huì)導(dǎo)致水稻細(xì)胞間隙的銅含量降低，即更多的銅離子會(huì)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)發(fā)揮作用。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，銅離子發(fā)揮抗病毒功能依賴于課題組先前發(fā)現(xiàn)的SPL9-miR528-AO-ROS這一通路，銅離子一方面能夠抑制SPL9的蛋白積累水平和SPL9結(jié)合miR528啟動(dòng)子的能力，從而使得miR528表達(dá)量降低，進(jìn)而增強(qiáng)AO的積累量和ROS水平；另一方面，銅離子能夠直接影響AO的酶活，當(dāng)AO的銅離子結(jié)合位點(diǎn)突變后，AO介導(dǎo)的抗病毒能力也會(huì)受到抑制。研究發(fā)現(xiàn)，通過直接外源施加銅離子或者通過基因編輯技術(shù)敲除水稻銅離子轉(zhuǎn)運(yùn)基因（COPT7），均能通過提高銅離子積累并進(jìn)而調(diào)控SPL9-miR528-AO通路增強(qiáng)水稻對(duì)病毒的抗性，為銅離子抗病毒的實(shí)際應(yīng)用提供了潛在思路。重要的是，銅離子介導(dǎo)的上述抗病毒通路對(duì)不同水稻病毒（RSV和RDV）具有廣譜抗性，暗示了銅離子的廣闊應(yīng)用前景。

 

　　北京大學(xué)博士后姚升澤博士和博士研究生康錦瑞為該論文的共同第一作者，李毅為該論文的通訊作者。北京大學(xué)許智宏院士、江蘇農(nóng)科院周彤研究員為該論文共同作者。該研究得到國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家水稻產(chǎn)業(yè)體系項(xiàng)目的大力支持。