PBJ | 中国科学院动物研究所崔峰团队揭示水稻胞间连丝蛋白Flotillin1调控植物病毒侵染的广谱分子机制

2023年12月25日 0条评论 307次阅读 0人点赞

植物病毒素有“植物顽疾”之称，每年引起全球作物经济损失高达4000亿元。水稻作为人类重要的粮食作物之一，供给全世界一半以上的人口，主要种植于亚洲、非洲和南美洲等地区。然而，这些地区的水稻产量深受病毒危害。目前已报道的水稻病毒有30多种，其中25种病毒对水稻生产构成直接的经济威胁。这些病毒主要通过媒介昆虫传播，如水稻条纹病毒（rice stripe virus, RSV）、南方水稻黑条矮缩病毒（southern rice black-streaked dwarf virus, SRBSDV）、水稻黑条矮缩病毒（rice black-streaked dwarf virus, RBSDV）、水稻齿叶矮缩病毒（rice ragged stunt virus, RRSV）、水稻草状矮缩病毒（rice grassy stunt virus, RGSV）、水稻矮缩病毒（rice dwarf virus, RDV）和水稻瘤矮病毒（rice gall dwarf virus, RGDV）等。RSV是最具破坏性的水稻病毒之一，在亚洲国家的稻田中能够造成80%的发病率和30% – 40%的产量损失。当前针对水稻病毒开发的抗病种质资源较少，因此挖掘水稻病毒传播的关键蛋白，创制新型广谱性的抗病种质资源是当前重中之重。病毒在媒介昆虫协助下进入植物细胞后，利用胞间连丝在细胞间运动扩散，实现系统性侵染。胞间连丝相关蛋白在病毒侵染植物中发挥重要作用，但有关胞间连丝相关蛋白调控病毒侵染的研究较少。解析胞间连丝相关蛋白调控病毒侵染的机理，创制广谱抗病毒的水稻种质资源，为水稻病毒病的可持续绿色防控提供重要的理论基础。

近日，中国科学院动物研究所崔峰团队在Plant Biotechnology Journal杂志在线发表题为“Plasmodesmata-associated Flotillin positively regulates broad-spectrum virus cell-to-cell trafficking”的研究论文。该研究揭示了水稻胞间连丝蛋白Flotillin1通过抑制胼胝质沉积，增加胞间连丝孔径，促进多种植物病毒侵染的广谱性分子机制。研究结果为培育广谱抗病毒水稻品种提供了关键基因靶点，具有重要的科学与育种价值。

研究团队前期发现灰飞虱Flotillin2是RSV进入媒介昆虫中肠细胞的受体，是控制病毒传播的重要靶标（Journal of Virology，2022）。Flotillin家族在生物体内的功能相对保守，因此本研究借鉴媒介昆虫中Flotillin是病毒受体的机制，延续该家族在植物中的功能，鉴定出水稻中Flotillin家族同源蛋白成员。结合免疫共沉淀实验、双分子荧光互补实验、烟草亚细胞定位实验以及水稻原生质体细胞定位实验，发现水稻的 Flotillin1能够与RSV衣壳蛋白NP互作且定位于胞间连丝及细胞膜上。

为了探究Flotillin1对水稻中RSV侵染的影响，本研究通过植物基因编辑手段构建Flotillin1敲除品系，发现在Flotillin1敲除品系中，水稻的株高和千粒重等经济性状均未收到影响，但RSV在筛管和伴胞中的扩散率受到显著抑制，病毒量降低，水稻的发病率也显著降低。

图1. Flotillin1通过促进病毒的细胞间运动帮助RSV侵染水稻

为阐明Flotillin1促进RSV侵染的分子机制，利用透射电镜发现与野生型水稻相比，Flotillin1敲除品系的胞间连丝孔径显著降低。在野生型水稻中，随着RSV侵染，Flotillin1的表达量上升，胞间连丝孔径增大，而RSV侵染Flotillin1敲除品系，其胞间连丝孔径仍小于野生型水稻。进一步研究表明，RSV通过衣壳蛋白NP上调Flotillin1的表达，降低两个胼胝质合成酶的表达，减少胼胝质沉积，增大胞间连丝孔径，从而促进自身侵染。

图2. RSV NP通过上调Flotillin 1的表达增大胞间连丝孔径

为明确Flotillin1是否介导多种水稻病毒的侵染，本研究探讨了灰飞虱传播的RBSDV，白背飞虱（Sogatella furcifera）传播的SRBSDV，褐飞虱（Nilaparvata lugens）传播的RRSV和RGSV，黑尾叶蝉（Nephotettix cincticeps）传播的RDV以及电光叶蝉（Recilia dorsalis）传播的RGDV，发现Flotillin1能够与RRSV、SRBSDV、RGDV及RDV的衣壳蛋白互作，而Flotillin1敲除品系中，SRBSDV及RDV的发病率显著低于野生型水稻。

图3. Flotillin1 促进多种水稻病毒的侵染

综上所述，水稻Flotillin1是定位于胞间连丝的膜蛋白，控制胞间连丝孔径。RSV等病毒侵染后，上调Flotillin1表达，扩大胞间连丝孔径，利于病毒的系统侵染。敲除Flotillin1的基因编辑水稻有望成为抗RSV、SRBSDV及RDV等多种病毒的抗性种质资源。

图4. Flotillin1通过改变胞间连丝孔径调控多种病毒细胞间运动的分子模式图

中国科学院动物研究所博士研究生葛盘泮为本文的第一作者，卢虹副研究员为共同第一作者，崔峰研究员为通讯作者。中国科学院动物研究所王炜助理研究员、博士研究生马永焕、北京大学李毅教授、江苏省农业科学院植物保护研究所周彤研究员、福建农林大学魏太云教授及吴建国教授为本研究做出重要贡献。该研究工作得到国家重点研发计划（No. 2022YFD1400800）、国家自然科学基金（No. 32230090，32102207）、农业虫害鼠害综合治理研究国家重点实验室开放课题（No. ChineseIPM2317）资助。

文章来源：植物生物技术Pbj

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