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Science:我国科学家揭示植物干细胞免受各种病毒感染机制

来源:本站原创 2020-10-17 10:16

2020年10月17日讯/生物谷BIOON/---植物之所以能够无限地生长,是因为它们含有由植物干细胞组成的分生组织(meristem),这些植物干细胞具有独特的能力,能够将自己转化为构成植物的各种特定细胞,并在适当的时候分裂,并根据需要产生任何类型的新细胞。分生组织存在于所有植物的顶端,使得它们能够长出新的茎或新的根。在树木中,分生组织也存在于树干中,能增加树干的周长。

自20世纪50年代以来,人们就知道,位于植物顶端的分生组织,即茎尖分生组织(shoot apical meristem, SAM),具有非凡的能力:即使植物的其他部分被病毒彻底感染,它们也能在产生特定的子细胞时保持无病毒状态。这种情况不仅仅是对一种或甚至几种病毒,而是对各种各样的病毒都是如此。

此后,科学家和农民们利用植物的这个最重要部分的抗病毒能力,从受感染的供者植物中培育出新的植物,但不会把病毒传给所培育出的植物。他们只需剪下植物顶端的一小部分,在试管或培养皿中培养一段时间,然后重复几次,这种剪下来的植物部分通常生长出无病原体的植物。
拟南芥,图片来自Wikipedia。

在一项新的研究中,来自中国科学技术大学、广州大学、四川大学和德国海德堡大学的研究人员对这种不可思议的能力提出了新的见解。相关研究结果发表在2020年10月9日的Science期刊上,论文标题为“WUSCHEL triggers innate antiviral immunity in plant stem cells”。论文通讯作者为中国科学技术大学的Zhaoxia Tian和Zhong Zhao。

这些研究人员将黄瓜花叶病毒(cucumber mosaic virus, CMV)接种到阿拉伯芥(thale cress)植物上,并观察发生了什么。

当黄瓜花叶病毒向SAM扩散时,他们注意到这种病毒在到达一个表达WUSCHEL的区域(下称WUSCHEL表达区域)之前就停止了。通过仔细观察调节蛋白WUSCHEL在这个区域的分布,他们发现这种病毒在接种后试图站稳脚跟的地方出现了更多的WUSCHEL。作为一种极其重要的蛋白,WUSCHEL在植物胚胎发育的早期阶段,在决定干细胞命运的过程中起着关键的调节作用,同时也负责监督SAM,使得它们维持在未分化的状态,并确定它们会产生什么样的子细胞。

他们随后将黄瓜花叶病毒直接接种到阿拉伯芥的干细胞中及其正下方,发现这种病毒只在后一个区域传播。Zhao说,“一种称为地塞米松(dexamethasone)的化学物可以诱导我们测试的植物产生WUSCHEL蛋白。因此,接下来,我们给阿拉伯芥接种更多的黄瓜花叶病毒,然后对其中的一些植物进行地塞米松处理,还有一些植物未接受这种处理。”在未接受地塞米松处理的阿拉伯芥植物中,大约89%的植物感染了这种病毒,但在接受地塞米松处理的阿拉伯芥植物中,90%的植物并未受到这种病毒入侵。

WUSCHEL是如何战胜这种病毒的呢?这些研究人员发现,WUSCHEL蛋白的作用是抑制黄瓜花叶病毒蛋白的产生。

病毒不能自己制造蛋白,而是劫持有机体的蛋白装配线来产生它们自己的病毒拷贝。对调节SAM有很大作用的WUSCHEL蛋白实质上已经冻结了所有的蛋白产生---无论是植物自己的蛋白产生还是被这种病毒劫持时的蛋白产生--从而阻止了这种病毒的复制。

Zhao说,与阿拉伯芥中直接产生WUSCHEL蛋白的基因相似的基因在植物王国中非常普遍,因此这些研究人员对“这种策略是否可以应用于育种以在未来获得广谱抗病毒作物品种”很感兴趣。(生物谷 Bioon.com)

参考资料:

1.Haijun Wu et al. WUSCHEL triggers innate antiviral immunity in plant stem cells. Science, 2020, doi:10.1126/science.abb7360.

2.Mystery solved: How do tips of plants stay virus-free?
https://phys.org/news/2020-10-mystery-virus-free.html


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