Sci Adv | 敲除m5C甲基转移酶提升小麦抗病毒能力与产量

来源：市场资讯

（来源：小麦研究联盟）

研究背景

RNA甲基化是生物体内一种常见的转录后修饰过程，其中5-甲基胞嘧啶（m5C）修饰在诸多生物学过程中发挥着关键作用。在哺乳动物中，m5C修饰已被证实深刻影响着病毒的生命周期（如HIV和乙肝病毒），能够调节病毒复制和宿主的先天免疫反应。然而，在植物与植物RNA病毒的互作博弈中，m5C修饰扮演着怎样的角色，目前仍是一个未解之谜。中国小麦花叶病毒（CWMV）是一种严重威胁小麦生产的正链RNA病毒。在感染过程中，病毒会劫持宿主因子形成病毒复制复合体（VRCs）。那么，宿主植物的m5C修饰机制是否也参与了这一过程，进而影响病毒的致病性？解开这一谜团对于开发新型抗病毒农作物具有重要意义。

论文概要

宁波大学的Jian Yang、JianPing Chen与河南农业大学的Feng Chen团队在Science Advances发表题为“Enhancing plant antiviral responses and productivity through the elimination of m5C methyltransferase”的论文，揭示了小麦m5C甲基转移酶TaNSUN2能够被劫持并对病毒RNA进行m5C修饰，从而促进病毒感染；而敲除该基因不仅能有效增强小麦对病毒的抗性，还能出人意料地提高小麦籽粒的重量与产量。

TaNSUN2是响应病毒感染的m5C甲基转移酶

为了寻找小麦中的m5C甲基转移酶，研究人员对小麦基因组进行了系统的序列比对和进化分析，鉴定出三个TaNSUN2同源基因（位于5A、5B、5D染色体）。其中，TaNSUN2-5A在叶片中高表达，且在感染CWMV的小麦中，仅有TaNSUN2-5A的表达量受到显著诱导。亚细胞定位表明，TaNSUN2主要定位于细胞核。体外与体内实验均证实，TaNSUN2确实具备m5C甲基转移酶活性：在小麦原生质体中过表达该基因会显著提高整体mRNA的m5C修饰水平，而通过病毒诱导的基因沉默（VIGS）技术抑制其表达，则会降低m5C修饰水平（图1）。

TaNSUN2是促进CWMV感染的“帮凶”

为了探究TaNSUN2在抗病毒防御中的具体功能，研究团队获得了TaNSUN2的自然突变体（m-tansun2）以及通过CRISPR-Cas9技术构建的基因敲除（KO）植株。无论是田间试验还是实验室接种均表明，与易感的野生型对照相比，敲除TaNSUN2的植株展现出了极强的抗病性，其体内的病毒RNA和外壳蛋白（CP）积累量大幅下降。相反，在过表达TaNSUN2的转基因小麦中，病毒感染被显著促进，病害症状更加严重（图2）。这些结果表明，TaNSUN2在小麦中扮演着感病基因（S基因）的角色。

m5C修饰直接稳定病毒RNA并提升翻译效率

既然TaNSUN2是甲基转移酶，它是否直接修饰了病毒的基因组？研究人员通过亚硫酸氢盐测序（RNA-BisSeq）等技术，精准定位了CWMV基因组上的两个高频m5C修饰位点：RNA1上的C4438和RNA2上的C3322。分析发现，过表达TaNSUN2会提高这些位点的甲基化水平，而基因敲除则会降低其水平（图3）。进一步的功能突变实验证实，当这两个位点的胞嘧啶被替换，导致病毒RNA无法发生m5C修饰时，病毒RNA的降解速度显著加快，且其编码蛋白的翻译效率大幅降低，最终有效抑制了病毒的感染进程（图4）。这说明m5C修饰如同为病毒RNA穿上了一层“保护铠甲”。

宿主因子TaeEF1A将TaNSUN2“走私”入病毒复制工厂

TaNSUN2通常驻留在细胞核内，而CWMV是在细胞质中复制的，两者是如何相遇的？研究揭示了一项精妙的病毒“劫持”策略：宿主的真核延伸因子1-alpha（TaeEF1A）在体内外均能与TaNSUN2发生直接互作。在病毒感染时，TaeEF1A作为“搬运工”，将TaNSUN2招募至细胞质中的病毒复制复合体（VRCs）内（图5）。同时，病毒RNA2的3'非翻译区（3'UTR）在获得m5C修饰后，会以更强的亲和力结合TaeEF1A和病毒外壳蛋白（CP），从而极大地促进了病毒的复制和组装。

自然抗性等位基因与“高抗高产”的双赢策略

研究团队通过对406份小麦品种进行全基因组关联分析（GWAS），在自然界中发现了一种天然的抗病等位基因（）。与感病等位基因（）不同，由于存在特定的单核苷酸多态性（SNPs），无法与TaeEF1A发生互作，因此无法进入VRCs为病毒RNA提供m5C修饰，从而赋予了这些小麦品种天然的抗病性（图6）。

在传统的作物育种中，植物抗病性的提升往往以牺牲生长发育和产量为代价（即“抗性-产量权衡”）。令人振奋的是，本研究发现，特异性敲除TaNSUN2-5A基因，不仅没有对小麦正常生长产生负面影响，反而打破了这一魔咒。在田间试验中，敲除株系（KO-1和KO-2）不仅抗病，其千粒重、籽粒长度和宽度均显著增加，最终使得单株产量提升了11.82%至14.58%（图7）。

全文总结与展望

本研究首次系统揭示了RNA m5C甲基化修饰在植物-病毒互作中的微观分子机制。在感病小麦中，病毒巧妙地利用宿主因子TaeEF1A将m5C甲基转移酶TaNSUN2拉入自身的复制工厂，为病毒RNA添加m5C修饰，从而提高病毒RNA的稳定性、翻译和组装效率。更具农业应用价值的是，研究鉴定出的抗性等位基因不仅为小麦抗黄花叶病育种提供了现成的基因资源，同时证明了靶向敲除TaNSUN2-5A是一条能够同时实现“增强抗病毒免疫”与“提高作物产量”双赢的完美路径。这一成果为未来的作物精准基因编辑和智能育种指明了极具潜力的方向。

研究团队与资助

该论文的共同第一作者为宁波大学的YaoYao Jiang和Peng Liu。通讯作者为河南农业大学的Feng Chen教授，以及宁波大学的JianPing Chen教授和Jian Yang研究员。本研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金以及现代种业重大项目等多项科研基金的鼎力支持。

DOI链接： https://doi.org/10.1126/sciadv.aea4046

小麦族多组学网站：http://wheatomics.sdau.edu.cn

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