Science Adv. | 北京大学李毅研究组揭示铜离子调控植物抗病毒的新机制

责编 | 奕樊

水稻是我国最重要粮食作物之一，是全球半数以上人口的主食。由介体昆虫传播的水稻病毒病是造成水稻严重减产的主要病害之一，其中，由水稻条纹病毒（RSV）造成的水稻条纹叶枯病以及水稻矮缩病毒（RDV）造成的水稻矮缩病在中国、韩国和日本等地反复爆发，严重影响水稻品质与安全生产。然而，目前对于水稻在遭受病毒侵染后的分子响应机制研究还有待深入，在实际生产中也缺乏有效的控制方法。

近日，北京大学生命科学学院李毅教授课题组在Science Advances发表了来自的“The key micronutrient copper orchestrates broad-spectrum virus resistance in rice”研究论文，揭示了重要微量元素铜介导的水稻广谱抗病毒分子机制。

北京大学李毅课题组多年来聚焦于病毒和宿主水稻以及媒介昆虫之间的互作关系。课题组先前的研究发现，RSV侵染水稻后，病毒外壳蛋白(CP)能够诱导植物体内茉莉酸（JA）含量显著积累，JA通路关键转录因子JAMYB能够结合并激活RNA沉默通路核心因子AGO18的启动子，从而诱导AGO18表达（Yang et al.,2020, Cell Host & Microbe），AGO18一方面能够结合miR168以抑制其对AGO1的切割作用，使得AGO1可以通过结合病毒siRNA介导抗病毒免疫 (Wu et al., 2015, eLife)；另一方面，AGO18还能够与AGO1竞争性结合miR528，释放miR528的靶标基因抗坏血酸氧化酶(AO)，调节植物体内的氧化还原稳态，促进活性氧(ROS)的积累从而增强水稻的抗病毒免疫(Wu et al., 2017, Nature Plants)。此外，课题组还发现miR528的转录因子SPL9在病毒侵染以后蛋白含量显著减少，因此受到SPL9转录激活调控的miR528积累减少，进而提高了靶基因AO的表达，增强了水稻的抗病毒能力(Yao et al., 2019, Molecular Plant)。

近日，李毅课题组在上述水稻抗病毒免疫基础上报道了重要的微量元素铜能够通过抑制SPL9来增强水稻的抗病毒能力。铜离子是植物正常生长以及响应逆境的一种重要微量元素，以铜离子为主要组分的波尔多液在农业生产中也被广泛使用，但是铜离子是否影响植物抗病毒能力仍然缺乏研究。李毅课题组的研究发现铜离子转运和铜离子结合蛋白编码基因在病毒侵染水稻以后，受到显著诱导或抑制，如负责铜离子从地下向地上部的转运的HMA5受到病毒侵染诱导并且突变体hma5对病毒侵染更为敏感。此外，铜离子在病毒侵染水稻后会发生含量与分布变化，病毒侵染能够促进铜离子在水稻地上部分积累，有趣的是，尽管叶片总的铜含量在病毒侵染后增加，通过透射电镜-能谱仪以及分离亚细胞结构测定铜含量，研究发现病毒侵染会导致水稻细胞间隙的铜含量降低，即更多的铜离子会进入细胞内发挥作用。

进一步地研究发现，铜离子发挥抗病毒功能依赖于课题组先前发现的SPL9-miR528-AO-ROS这一通路，铜离子一方面能够抑制SPL9的蛋白积累水平和SPL9结合miR528启动子的能力，从而使得miR528表达量降低，进而增强AO的积累量和ROS水平，当在hma5突变体水稻中对SPL9进行敲除后可以减弱hma5的感病表型；另一方面，铜离子能够直接影响AO的酶活，当AO的铜离子结合位点突变后，AO介导的抗病毒能力也会受到抑制。并且，研究发现通过直接外源施加铜离子或者通过基因编辑技术敲除水稻铜离子转运基因（COPT7）均能通过提高铜离子积累并进而调控SPL9-miR528-AO通路增强水稻对病毒的抗性，为铜离子抗病毒的实际应用提供了潜在思路。重要的是，铜离子介导的上述抗病毒通路对不同水稻病毒（RSV和RDV）具有广谱抗性，暗示了铜离子的广阔应用前景。

铜离子通过调控SPL9-miR528-AO-ROS通路参与水稻抗病毒免疫示意图

北京大学博士后姚升泽博士和博士研究生康锦瑞为该论文的共同第一作者，李毅教授为该论文的通讯作者。北京大学许智宏院士、江苏农科院周彤研究员为该论文共同作者。该研究得到了国家自然科学基金重大项目、国家重点研发计划和国家水稻产业体系项目的大力支持。

参考文献：

Wu, J., Yang, R., Yang, Z., Yao, S., Zhao, S., Wang, Y., Li, P., Song, X., Jin, L., Zhou, T., et al. (2017). ROS accumulation and antiviral defence control by microRNA528 in rice. Nature Plants 3, 16203.

Wu, J., Yang, Z., Wang, Y., Zheng, L., Ye, R., Ji, Y., Zhao, S., Ji, S., Liu, R., Xu, L., et al. (2015). Viral-inducible Argonaute18 confers broad-spectrum virus resistance in rice by sequestering a host microRNA. eLife 4.

Yang, Z., Huang, Y., Yang, J., Yao, S., Zhao, K., Wang, D., Qin, Q., Bian, Z., Li, Y., Lan, Y., et al. (2020). Jasmonate signaling enhances RNA silencing and antiviral defense in rice. Cell Host & Microbe 28, 89-103.e108.

Yao, S., Yang, Z., Yang, R., Huang, Y., Guo, G., Kong, X., Lan, Y., Zhou, T., Wang, H., Wang, W., et al. (2019). Transcriptional Regulation of miR528 by OsSPL9 Orchestrates Antiviral Response in Rice. Mol Plant 12, 1114-1122.

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm0660