吴建国课题组揭示泛素-蛋白酶体靶向RdDM通路介导水稻布尼亚病毒的致病机制

来源：植物科学最前沿

原标题：Mol Plant：福建农林大学吴建国课题组揭示泛素-蛋白酶体靶向RdDM通路介导水稻布尼亚病毒的致病机制

2020年2月19日，Molecular Plant 在线发表了福建农林大学植物保护学院媒介病毒研究中心吴建国课题组题为“A Bunyavirus-Inducible Ubiquitin Ligase Targets RNA Polymerase IV for Degradation during Viral Pathogenesis in Rice”的研究论文。

该论文揭示了布尼亚病毒科负义单链RNA病毒-水稻草状矮化病毒（Rice grassy stunt virus, RGSV）编码的P3致病蛋白通过诱导一个U-box类型E3泛素连接酶P3IP1靶向依赖于RNA的DNA甲基化通路（RdDM）关键因子NUCLEAR RNA POLYMERASE D1a（OsNRPD1a或Pol IVa）的降解，并导致水稻植株矮化和分蘖增多等病害症状的形成（图1）。该项研究首次揭示了水稻Pol IV基因在调控水稻株型发育上的重要生物学功能：发现P3IP1通过调控Pol IV的降解从而作用于RdDM通路，调控水稻的株高、分蘖等重要农艺性状；以及Pol IV和P3IP1在病毒致病过程中的生物学功能。

图1 UPS参与水稻布尼亚病毒RGSV P3介导的致病过程

泛素-蛋白酶体系统（Ubiquitin-proteasome system，UPS）是一种重要的真核生物转录后基因调控途径，对于机体调节细胞内蛋白水平与功能发挥重要作用。已有研究表明，在病毒与动植物寄主互作过程中，UPS犹如一把“双刃剑”，一方面UPS可以被病毒所利用，用于抑制抵御病毒侵染的寄主因子，从而促进病毒侵染和增殖 (Blanchette and Branton, 2009; Gao and Luo, 2006; Jia et al., 2016; Luo, 2016; Tang et al., 2018)；另一方面，UPS也可以识别病毒及其组分或者有益于病毒侵染的寄主因子，促进其降解进而介导寄主抗病毒作用(Alcaide-Loridan and Jupin, 2012; Rojas and Park, 2019)。但在单子叶植物中，尚无关于UPS参与负单链RNA病毒致病或寄主抗病的研究。

依赖于RNA的DNA甲基化途径（RNA-directed DNA methylation, RdDM）是植物DNA甲基化建立的关键环节 (Deleris et al., 2016)，广泛参与到植物生长发育过程(Liao et al., 2019; Matzke and Mosher, 2014; Moritoh et al., 2012; Wei et al., 2014)和对多种病原物侵染的响应过程(Diezma-Navas et al., 2019)。RGSV，一个负义单链RNA病毒，侵染水稻可导致植株矮化、分蘖增多和基本不结实等典型病害症状，对东南亚国家水稻主产区造成严重危害，被报道近60年来其致病机理仍不清楚(Hibino, 1996; Satoh et al., 2013)。在该研究中，吴建国教授课题组通过遗传筛选发现RGSV编码的P3蛋白具有致病作用，P3转基因过表达水稻（P3 OE）表现出水稻植株明显矮化、分蘖增多和育性降低等类似病害症状的发育缺陷（图2），为揭示其致病机制，课题研究人员通过蛋白互作、免疫杂交等实验证明了RGSV P3能够促进依赖RdDM关键因子OsNRPD1a的降解过程。进一步研究表明，RGSV P3组织特异性地诱导了植物U-box类型E3连接酶P3IP1的高表达。体外泛素修饰实验、蛋白互作研究和烟草瞬时表达实验表明，P3IP1具有E3连接酶活性，能够通过与OsNRPD1a直接互作介导其降解。

图2 P3是一个布尼亚病毒RGSV编码的致病蛋白

遗传学数据进一步证实，OsNRPD1的Knockdown和Knockout能够引起水稻植株变矮、分蘖增多和育性降低等表型，与RGSV诱导的病害症状和RGSV P3过表达转基因水稻的表型一致，通过接种病毒也发现Pol IV的缺失能够促进RGSV的侵染。为了进一步研究P3IP1在水稻发育和病毒致病过程中的作用，作者通过遗传学发现P3IP1过表达会导致水稻明显矮化和分蘖增多等表型的出现，而P3IP1 Knockout 株型没有出现明显发育上的异常；通过接种病毒发现P3IP1过量表达能够促进RGSV的侵染，而P3IP1 Knockout则表现出对病毒的抗性，证实P3IP1负调控水稻对病毒的抗性。

综上所述，吴建国教授课题组的该项研究证明了UPS参与负义单链RNA病毒在单子叶植物中的致病过程。同时，该研究也首次揭示了UPS可以调控RdDM这一重要的植物生物学过程。此外，该研究进一步丰富了水稻U-box类型E3连接酶的在调控植物生长发育和抗病过程中的生物学功能。以上关于布尼亚病毒RGSV致病机理的揭示，有助于进一步理解UPS介导的寄主与病毒互作过程和植物RdDM的调控机理，同时为抗病毒水稻分子育种提供了新的靶标。后续研究将进一步揭示P3介导的致病过程中UPS调控的RdDM途径下游基因在病毒与寄主互作中角色。

福建农林大学植物保护学院青年教师张超为该论文第一作者，博士研究生魏莹、吴康承和清华大学博士研究生徐乐为该论文共同第一作者，吴建国教授为该论文通讯作者。福建农林大学植物保护学院杨靓副教授和中国科学院遗传与发育研究所谢旗研究员、于菲菲副研究员也合作参与了该项工作。该研究得到了国家自然科学基金和教育部霍英东教育基金的经费支持。

参考文献

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