Nature Comm. | 只需改变一个蛋白的定位，即可提高植物对病毒的抗性

撰文 | 星期一

责编 | 晓彤

在人口快速增长，可用耕地减少和气候环境发生变化的二十一世纪，如何保证充足的食物来养活地球上70亿人口是一个重要的命题。目前世界上仍有9亿人口处于慢性营养不良的状态，在这种大环境下，增加农业的产量非常迫切。植物病毒是最具破坏力的病原物之一，可以导致大部分重要农作物的减产。据统计，病毒在全球范围内每年造成数百亿美元的损失 【1】 。此外，许多新型的病害都是植物病毒造成的，这也导致防治植物病毒病害在农业生产中越来越重要 【2】 。

超过80%的植物病毒是RNA病毒，并且其中很大一部分RNA病毒含有类tRNA结构，比如黄瓜花叶病毒 （CMV: cucumber mosaicvirus） ，油菜花叶病毒 （ORMV: oilseed rape mosaic virus） ，烟草花叶病毒 （TMV: tobacco mosaic virus） 和萝卜花叶病毒 （TYMV: turnip yellow mosaic virus） 【3】 。类tRNA结构在病毒中广泛存在，所以这个结构是防治植物病毒的一个优质的靶标。而RNase P是一种核糖核蛋白，具有核酸内切酶活性，可以剪切类tRNA结构 【4，5】 ，极有可能可以用来防治植物病毒。但是，RNase P蛋白定位于细胞核，线粒体和叶绿体 【4】 ，而植物病毒的主要复制和扩增的场所在细胞质。

法国斯特拉斯堡大学Philippe Giegé课题组的研究发现，将RNase P的定位改变，使之定位于细胞质，可使植物获得病毒抗性。相关研究结果以Towards plant resistance to viruses using protein-only RNase P为题发表在Nature Communications上 。

在拟南芥中含有3个RNase P （PRORP1, PRORP2, PRORP3） ，其中后两个基因存在功能冗余 【5】 ，所以作者认为改变其中一个的定位不会对整个植物造成影响。通过生信分析，作者发现PRORP2中存在一个保守的核定位信号，而将这个核定位信号敲除以后，PRORP2就会定位于细胞质，并重新被命名为CytoRP（Cytosolic RNase P）（图一） 。将PRORP2突变为CytoRP以后，作者进一步在体外验证了其对tRNA结构的切割活性，发现CytoRP仍然有切割活性，但是较PRORP2稍低 （图二） 。并且，CytoRP仍然保留了切割多种RNA病毒的tRNA结构的活性 （图二） 。最后，作者测试了CytoRP是否能够帮助植物抵抗病毒。作者对野生型和表达CytoRP的植株进行了烟草花叶病毒和萝卜花叶病毒的接种，发现表达CytoRP的植株显著的提高了抵抗这两种病毒的能力。

图1 改变PRORP2的定位，使之定位于细胞质

图2 CytoRP具有tRNA结构的切割活性

综上所述，该研究发现了一个不依赖转基因的抗病毒方法，仅仅通过基因敲除技术敲除RNase P的核定位信号改变其定位，就可以帮助植物获得抗病毒能力。重要的是，这种抗病毒能力是广谱性的，具有重要的实际应用价值。但是，在不同株系中这种抗病毒能力的强弱变化很大，甚至在同一株系的不同个体中差别也很大，还需要更进一步改进这个抗病毒策略才能够将其真正在实际中应用。作者也提出了一个改进思路：将CytoRP蛋白与其他靶向蛋白融合，使其可以特异地与病毒复制体结合，从而提高切割病毒RNA的效率。

参考文献

1. Sastry, K. S. & Zitter, A. Management of Virus and Viroid Diseases of Crops in the Tropics. (Springer: Dordrecht, 2014).

2. Anderson, P. K. et al. Emerging infectious diseases of plants: pathogen pollution, climate change and agrotechnology drivers. Trends Ecol. Evol. 19, 535–544 (2004).

3. Giegé, R. Interplay of tRNA-like structures from plant viral RNAs with partners of the translation and replication machineries. Proc. Natl Acad. Sci. USA 93, 12078–12081 (1996).

4. Gobert, A. et al. A single Arabidopsis organellar protein has RNase P activity. Nat. Struct. Mol. Biol. 17, 740–744 (2010).

5. Gutmann, B., Gobert, A. & Giegé, P. PRORP proteins support RNase P activity in both organelles and the nucleus in Arabidopsis. Genes Dev. 26, 1022–1027 (2012).

https://www.nature.com/articles/s41467-020-20777-x#MOESM1