《中国科学家揭示水稻抗病毒免疫机制新突破》

  • 来源专题:农业生物安全
  • 编译者: 李周晶
  • 发布时间:2025-04-14
  • 病毒侵染一直是威胁水稻生产的重要因素。尽管科学家在过去20多年中在鉴定新病毒、解析病毒致病机理以及植物抗病毒机制等方面取得了重要进展,但对于植物细胞如何感知病毒侵染并启动免疫反应的分子机制仍知之甚少。2025年3月12日,北京大学研究团队联合福建农林大学等多个实验室在国际顶级学术期刊《自然》(Nature)上发表了一项突破性研究,首次系统揭示了水稻细胞感知病毒侵染并启动广谱抗病毒防御反应的分子机制。

    该研究发现水稻RING1-IBR-RING2类型的泛素连接酶RBRL不仅能够识别水稻条纹病毒(Rice

    stripe virus,RSV)的外壳蛋白(CP),还能识别水稻矮缩病毒(Rice dwarf virus,RDV)的外壳蛋白P2。进一步研究表明,RSV CP不仅能诱导RBRL表达量上调,还能激活RBRL的泛素连接酶活性,进而促进RBRL介导的茉莉酸信号通路抑制因子NOVEL INTERACTOR OF JAZ 3(NINJA3)的泛素化和降解,从而激活水稻茉莉酸信号通路。结合团队前期研究成果,在水稻中发现和解析了一条核心的抗病毒通路,即从水稻细胞感知和识别病毒侵染到激活水稻抗病毒免疫机制全链条解析。

    该研究为水稻抗病毒育种提供了多靶点策略:1)利用RBRL广谱识别特性开发广谱抗病毒种质;2)通过精细调控JA信号通路增强基础抗性;3)协同优化RNAi与ROS防御系统。这一系统性成果将为作物抗病毒研究和育种提供新的理论框架和技术路径。

  • 原文来源:Nature |李毅团队揭示水稻细胞感知病毒侵染并启动广谱抗病毒防御反应的分子机制
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    • 编译者:李周晶
    • 发布时间:2025-08-20
    • 水稻作为最重要的粮食作物,为超过半数的世界人口提供主食。然而,南方水稻黑条矮缩病毒(southern rice black-streaked dwarf virus, SRBSDV)等病毒严重危害水稻生长,威胁粮食生产安全,解析病毒-水稻互作的分子机制对水稻病毒病的防控具有重要意义。 20025年8月12日,植保所周雪平教授联合浙江大学吴建祥教授团队和华南农业大学张彤教授在Nature Communications上发表了题为“Viral proteins suppress rice defenses by boosting OsTSN1 RNA decay via phase separation and multimerization”的研究论文。该研究发现,水稻病毒编码蛋白通过与寄主因子OsTSN1互作形成病毒蛋白-OsTSN1液滴,并促进OsTSN1的多聚化来增强其核酸酶活性和RNA降解功能,进而协同抑制自噬相关和茉莉酸信号转导相关的水稻抗病毒免疫反应。 该研究证实SRBSDV编码的P6蛋白在植物细胞质具有液-液相分离(Liquid-liquid phase separation, LLPS)的特性,免疫共沉淀串联蛋白质谱分析发现RNA结合蛋白OsTSN1在P6形成的液滴中高度富集,P6通过与OsTSN1互作促进后者发生LLPS,诱导形成定位于应激颗粒(Stress granules, SGs)内的P6-OsTSN1液滴,并且OsTSN1蛋白对P6-OsTSN1液滴的SGs定位起关键作用。遗传学实验结果显示,OsTSN1过表达水稻对SRBSDV的易感性增强,而OsTSN1敲除突变体对SRBSDV的易感性显著降低,表明OsTSN1负调控水稻的抗病毒免疫反应。进一步研究发现,OsTSN1能降解单链RNA,且其核酸酶活性与其多聚化程度呈正相关,而在P6-OsTSN1液滴中P6通过与OsTSN1相互作用促进其多聚化,从而显著增强OsTSN1的核酸酶活性。紫外交联免疫沉淀结合RNA-seq分析发现,OsTSN1特异性识别并结合含有GAGGAG基序的mRNA,其中OsNAC15和OsLHY转录因子的mRNA被P6-OsTSN1液滴显著富集并靶向降解。进一步研究证实,OsNAC15作为转录激活因子结合自噬相关基因OsATG8C的启动子区域并正调控其转录表达,而OsLHY作为转录抑制因子结合茉莉酸信号通路相关基因OsJAZ6/12的启动子区域并负调控其转录表达。此外,SRBSDV P6通过形成P6-OsTSN1液滴来特异性招募并降解OsNAC15和OsLHY的mRNA,抑制自噬相关基因OsATG8C的转录但增强茉莉酸信号通路相关基因OsJAZ6/12的转录,从而同时抑制水稻自噬和茉莉酸信号通路介导的抗病毒免疫反应。 水稻黑条矮缩病毒(rice black-streaked dwarf virus, RBSDV)和水稻条纹病毒(rice stripe virus, RSV)编码的P6和NS3蛋白均含有内在无序去(IDRs)并具有LLPS的特性,也能与OsTSN1互作并共同形成定位于SGs内的RBSDV P6-OsTSN1液滴和RSV NS3-OsTSN1液滴。在液滴内RBSDV P6和RSV NS3均可通过促进OsTSN1的多聚化来增强后者的核酸酶活性和RNA降解功能。此外,OsTSN1过表达水稻对RBSDV和RSV的易感性增强,而OsTSN1敲除突变体对RBSDV和RSV的易感性显著下降,表明OsTSN1也负调控水稻抗RBSDV和RSV的免疫反应。 总之,水稻病毒的RNA沉默抑制因子(SRBSDV P6、RBSDV P6和RSV NS3)均发生LLPS,并与寄主因子OsTSN1互作形成定位于SGs内的病毒蛋白-OsTSN1液滴。在液滴中,病毒蛋白通过促进OsTSN1的多聚化来增强其核酸酶活性,从而降解编码转录因子OsLHY和OsNAC15的转录本,抑制下游自噬和茉莉酸相关的水稻免疫途径进而促进病毒感染水稻,表明不同水稻病毒在入侵水稻策略上存在趋同现象。研究结果为水稻病毒病的抗病育种提供新的理论依据。
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    • 来源专题:生物安全知识资源中心—领域情报网
    • 编译者:hujm
    • 发布时间:2023-02-22
    • 在一项新的研究中,来自美国科罗拉多大学博尔德分校的研究人员发现当涉及到抵御入侵者时,细菌的运作方式与人类细胞极为相似,它们拥有开启和关闭免疫途径所需的相同核心分子机制。他们还揭示了这种共享的古老分子机制---一群称为泛素转移酶(泛素转移酶)的酶---是如何运作的。他们说,更好地了解并有可能重新编程这种分子机制,最终可能为治疗一系列人类疾病(从类风湿性关节炎和克罗恩病等自身免疫性疾病到帕金森病等神经退行性疾病)的新方法铺平道路。相关研究结果于2023年2月8日在线发表在Nature期刊上,论文标题为“An E1–E2 fusion protein primes antiviral immune signalling in bacteria”。 论文共同通讯作者、科罗拉多大学博尔德分校生物化学系助理教授Aaron Whiteley说,“这项新的研究表明,我们与细菌没有什么不同。通过研究这些细菌过程,我们可以学到很多关于人体如何发挥作用的知识。” 下一个CRISPR? 这项新的研究并不是第一次展示细菌可以教给人类的东西。越来越多的证据表明人类免疫系统的一部分可能起源于细菌,而且在植物和动物王国中,进化产生了更复杂的细菌抗病毒工具。 2020年,美国加利福尼亚大学伯克利分校生物化学家Jennifer Doudna因CRISPR获得了诺贝尔奖,这是一种基因编辑工具。细菌利用CRISPR来对抗噬菌体。围绕CRISPR的讨论点燃了科学界对蛋白和酶在抗噬菌体免疫反应中所发挥的作用的新兴趣。 Whiteley说,“在过去的三到五年里,人们已意识到它不会随着CRISPR而结束。它的潜力是如此之大。” 进化史中的缺失环节 在这项新的研究中,Whiteley和论文共同第一作者Jane Coffin Childs与加州大学圣地亚哥分校的生物化学家合作,进一步了解一种名为cGAS(环状GMP-AMP合酶)的蛋白,人们以前已发现它既存在于人类中,也以一种更简单的形式存在于细菌中。 在细菌和人类中,当细胞感觉到病毒入侵时,cGAS对于启动下游防御至关重要。但是在细菌中是什么在调节这个过程,以前是不知道的。 Whiteley团队使用一种称为低温电镜的超高分辨率技术以及其他遗传和生物化学实验,近距离观察了cGAS在细菌中的进化前身的结构,并发现了细菌用来帮助cGAS保护细胞免受病毒攻击的额外蛋白。具体来说,他们发现细菌利用一种精简的泛素转移酶“一体化版本”来修饰它们的cGAS,其中泛素转移酶是一个复杂的酶集合,在人类中控制免疫信号转导和其他关键的细胞过程。 Ledvina说,由于细菌比人类细胞更容易进行基因操作和研究,这一发现为研究工作开辟了一个新的机会。“细菌中的泛素转移酶是我们了解这些蛋白进化史的一个缺失环节。” 对蛋白进行编辑 这项新的研究还揭示了这种分子机制是如何起作用的,确定了两种关键成分---称为Cap2(CD-NTase-associated protein 2)和Cap3(CD-NTase-associated protein 2)的蛋白---分别作为cGAS反应的开启开关和关闭开关。 Whiteley解释说,除了在免疫反应中发挥关键作用外,泛素在人类中还可以作为一种细胞垃圾的标记,引导多余或旧的蛋白被分解和破坏。当这个系统由于突变而失灵时,蛋白就会堆积起来,帕金森病等疾病就会发生。 这些作者强调,还需要进行更多的研究,但这一发现打开了令人兴奋的科学大门。就像科学家们将古老的细菌防御系统CRISPR改编成可以剪除DNA突变的剪刀式生物技术一样,Whiteley相信这种细菌泛素转移酶的一部分---Cap3,即“关闭开关”---最终可能经编程后对缺陷的蛋白进行编辑并治疗人类疾病。 Whiteley说,“我们对泛素转移酶及其进化过程了解得越多,科学界就越有能力在治疗上靶向这些蛋白。这项新的研究提供了非常明确的证据表明我们体内对维持细胞至关重要的分子机制起源于细菌,做着一些非常令人兴奋的事情。” 参考资料: Hannah E. Ledvina et al. An E1–E2 fusion protein primes antiviral immune signalling in bacteria. Nature, 2023, doi:10.1038/s41586-022-05647-4.