NC |宁波大学陈剑平院士和孙宗涛团队揭示植物RNA病毒抑制OsNPR1介导抗病毒免疫的新机制

近日，宁波大学植物病毒学研究所陈剑平院士和孙宗涛研究员团队发现不同类型水稻病毒编码的蛋白能够靶向水杨酸信号途径重要调控因子OsNPR1，介导OsNPR1的泛素化和降解，从而削弱OsNPR1介导的水杨酸-茉莉酸协同抗病毒通路，促进病毒自身的侵染与传播。研究成果以“Different viral effectors suppress the hormone-mediated antiviral immunity of rice coordinated by OsNPR1”为题在线发表在国际著名学术期刊Nature Communications上。

水稻作为我国重要的粮食作物之一，在我国国民经济中占有重要地位。水稻病毒引起的病毒病是我国稻区的重要病害，严重危害我国粮食安全与生产。近年来，在水稻上报道的病毒高达十余种，其中纤细病毒属的水稻条纹病毒（Rice stripe virus，RSV），斐济病毒属的南方水稻黑条矮缩病毒（Southern rice black-streaked dwarf virus，SRBSDV）以及弹状病毒属的水稻条纹花叶病毒（Rice stripe mosaic virus，RSMV）都对我国水稻的安全生产带来严重威胁。以往的研究主要围绕着单个病毒与水稻间的相互作用展开，缺乏对不同类型病毒致病机理和寄主广谱抗病毒途径的了解，这严重影响了水稻病毒病防控的育种进程。因此，揭示不同病毒致病性和寄主防御之间的关系，可为水稻病毒病害有效防控提供重要的理论依据。

植物在整个生长周期中面临着诸多病原物（细菌、真菌、病毒等）的侵害，为了抵御这些伤害，植物会进化出一系列复杂的防御系统，其中植物激素及其信号转导网络占据着重要的地位。水杨酸（SA）和茉莉酸（JA）作为两大经典的植物抗性激素，在寄主抵抗病原物侵染过程中发挥着重要的作用。研究表明植物中SA和JA之间的协同或拮抗关系依赖于寄主与病原菌的类型。然而，目前关于单子叶植物水稻中SA-JA详细的互作机制以及水稻病毒与它们的关系并没有详细的研究报道。

为了更深入的完善病毒致病和寄主防御之间的对抗关系，该研究团队首先利用酵母文库筛选并明确了RSV P2蛋白与水杨酸信号途径中重要调控因子OsNPR1特异性互作，并且这种互作不依赖于水杨酸。随后，该研究发现P2蛋白可以干扰OsNPR1的寡聚化。利用体内和体外降解实验，进一步证明P2蛋白可以促进OsNPR1的降解，并且这种降解主要发生在细胞质中。利用构建酵母截短突变体、pull-down、竞争性Co-IP等实验手段，深入研究P2蛋白促进OsNPR1降解的机制，发现P2以不依赖于SA的方式促进OsNPR1与OsCUL3a（cullin-RING泛素连接酶）的结合，从而加速OsNPR1在植物体内的泛素化降解。通过构建OsNPR1相关转基因植株，接种病毒实验明确了OsNPR1过量表达后，能明显增强水稻对不同类型病毒侵染的抗性（图1）。上述研究进一步暗示，水稻病毒利用自身编码的致病蛋白去削弱OsNPR1介导的抗病毒能力。

图1. RSV P2蛋白通过影响OsNPR1蛋白的稳定性从而促进病毒的侵染

研究人员进一步探究OsNPR1介导抗病毒免疫的机制，发现OsNPR1介导的抗病毒免疫与JA途径密切相关。利用酵母双杂交以及Co-IP实验该研究证实OsNPR1能够与JA重要元件OsJAZ蛋白以及OsMYC2/3转录因子发生特异性互作。Co-IP和BiFC实验进一步证明OsNPR1能够直接干扰OsMYC2/3-OsJAZs复合体的形成，以此释放并激活下游OsMYC2/3的转录，进而激活JA信号通路。进一步的Dual-LUC及ChIP-qPCR实验也证实了OsNPR1通过与OsMYC2形成复合体，激活JA响应基因的表达。值得注意的是，OsNPR1和OsMYC2/3均可以直接被病毒蛋白P2靶向，这就暗示了P2可能会影响OsNPR1与OsMYC2/3的结合。研究人员通过体内干扰实验以及遗传学数据发现P2蛋白确实可以削弱OsNPR1介导的JA信号途径的激活，从而抑制SA和JA协同诱导的抗病毒防御反应。此外，研究人员还发现SRBSDV P8、RSMV M蛋白（在前期研究中鉴定到的独立进化且功能上存在共性的病毒蛋白）也能干扰OsNPR1介导的SA与JA的协同作用，以促进病毒的致病性。该研究进一步揭示了在单子叶植物水稻与病毒博弈过程中，病毒反防御策略的普遍性和多样性。

综上作者提出了不同类型病毒蛋白抑制OsNPR1介导水稻抗病毒免疫的作用模型（图2）。即：当水稻受到病毒侵染后，植物的防御体系会诱导水杨酸和茉莉酸含量迅速增加。JA的增加会促进OsJAZs的降解，激活JA通路。SA的增加会触发OsNPR1单体进入细胞核，激活SA通路，同时还能激活OsMYC2/3的转录活性，增强JA抗病毒通路。另一方面，病毒为了应对植物的SA-JA防御系统，会编码不同的病毒蛋白通过靶向OsNPR1，影响OsNPR1的稳定性，抑制OsNPR1-OsMYC2/3功能模块，以此为自身的侵染创造有利条件。该研究揭示了OsNPR1介导的植物防御-病毒反防御的全新机制，提供了病毒致病性和宿主防御之间长期“军备竞赛”的新案例，为遗传改良作物抗病育种提供了重要依据。

图2. 水稻病毒抑制OsNPR1介导的广谱抗病毒通路分子模型图

该团队一直致力于水稻病毒与寄主“博弈”相关方面的研究工作。水稻病毒侵染寄主过程中，植物激素之间形成一个既有协同又有拮抗作用的复杂调控网络。在植物防御病毒侵染中，茉莉素、生长素等激素信号途径发挥重要的作用（The Plant Cell，2020；PLoS Pathogens，2022；Plant biotechnology journal，2021）。然而在这种激烈的对战中，病毒为了逃脱植物的防御反应，利用自身的武器“效应蛋白”直接胁持宿主多种激素途径重要组分，进而抑制植物激素介导的抗病反应。该课题组前期鉴定出了一类功能保守的病毒转录抑制因子，这类蛋白能靶向广谱抗病毒途径生长素信号关键组分OsARF17以及JA信号途径重要转录因子OsMYC2/3，实现了对生长素、茉莉酸途径的直接抑制，从而促进病毒自身的侵染（PNAS，2020；PNAS，2021）。此外，最新的研究也发现多种病毒蛋白通过降解赤霉素（GA）途径抗病因子SLR1，削弱JA介导的广谱抗病毒通路（Nature communications，2022）。在本研究中，不仅首次揭示了单子叶植物水稻中两种重要的抗性激素SA和JA协同抗病毒的机制，而且阐明了不同类型水稻病毒蛋白靶向SA途径关键调控因子OsNPR1，从而进一步抑制了JA介导的广谱抗病毒能力，实现病毒的侵染和传播。该项研究成果进一步扩宽了对于植物激素介导的寄主防御与水稻病毒反防御认识，丰富了JA介导的抗病毒防御互作网络，并为水稻抗病育种提供新的基因资源和理论支持（Nature communications，2023）。

论文第一作者为宁波大学植物病毒学研究所张合红副研究员，陈剑平院士和孙宗涛研究员为通讯作者。此外宁波大学魏中艳副研究员、李雁军副研究员、李俊敏研究员、燕飞研究员等也参与了部分研究工作。该项研究得到了国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金、中国科协青年人才托举工程，浙江省自然科学基金等项目的资助。

转自：“植物生物技术Pbj”微信公众号

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