研究揭示甘蔗花葉病毒干擾RNA剪接促進侵染

近日，中國農業大學植物保護學院教授周濤課題組在甘蔗花葉病毒（SCMV）相關研究上獲得了新進展。研究發現，SCMV侵染改變了玉米八氫番茄紅素合成酶基因（ZmPSY1）的轉錄本可變剪接模式，因此促進病毒侵染。相關成果發表于《植物生理學報》。

SCMV是我國和非洲玉米生產上的一種主要病原，廣泛分布于世界主要玉米產區，單獨侵染玉米造成玉米矮花葉病導致玉米產量損失可達50%。如果SCMV與玉米褪綠斑駁病毒復合侵染，可造成玉米致死性壞死病導致玉米絕產。近年來，周濤課題組建立了玉米—SCMV病理研究系統，探索病毒侵染致病的分子機制。

病原物侵染通常干擾真核寄主的RNA剪接模式。在病毒—植物互作中，目前還不清楚病毒對寄主可變剪接模式的改變到底是其侵染過程中的附帶效應，還是一種病毒調控寄主基因表達，進而有利于其侵染致病的機制。

論文第一作者、周濤課題組博士生杜開通介紹，他們研究分析了SCMV侵染引起的玉米轉錄組和蛋白組變化，結果表明可變剪接在病毒侵染引起的蛋白組差異中發揮主要作用。在組學數據中他們注意到一個光合色素合成途徑的關鍵酶ZmPSY1，病毒侵染玉米后ZmPSY1總的轉錄水平顯著降低且其轉錄本遭受可變剪接，但有趣的是，它的蛋白水平和健康玉米相比沒有顯著變化；再根據SCMV侵染玉米引致的花葉特點（圖一），研究人員把研究聚焦到了ZmPSY1。隨后，他們鑒定了ZmPSY1在玉米葉片中表達的2個轉錄本T001和T003，其中T001表達水平高，T003表達水平低；T001和T003的5’非翻譯區（UTR）和編碼區均一致，差別在于T001的3’非翻譯區較短（圖二）。ZmPSY1無義突變體玉米植株則降低了對SCMV侵染的敏感性并表現輕微花葉癥狀（圖三），表明ZmPSY1參與SCMV的高效侵染及花葉癥狀程度。

圖一 SCMV侵染玉米幼苗后的系統葉片癥狀的形成（A圖，白色虛線框中指示病毒侵染癥狀）伴隨著光合色素的顯著減少（B圖）

圖二 ZmPSY1基因在玉米葉片中表達的2個轉錄本T001和T003編碼區（紅色矩形表示）一致但3’非翻譯區（黑色邊框矩形表示）具有差別

圖三 ZmPSY1基因突變體玉米（d13和d14）降低了對SCMV侵染的敏感性（SCMV的復制增殖水平顯著降低）并表現輕微花葉癥狀

那么，T001和T003相對表達水平的變化是如何參與ZmPSY1蛋白水平的維持？研究人員利用RNA結構預測發現表明T003在更長的3’-非翻譯（UTR）區域會形成高級結構，而T001不具有這樣的特點（圖四A）。通過體內和體外的模擬翻譯實驗證實了T001的3’-UTR序列比T003的3’-UTR序列具有更高的增強翻譯效率（圖四）。又通過病毒誘導的ZmPSY1基因沉默實驗，發現對表達水平較高的T001沉默效率更高，這種高效沉默不利于SCMV的復制增殖及花葉癥狀的表現。由此說明，高表達水平和高翻譯效率的T001在SCMV侵染中扮演重要作用。

圖四 轉錄本T001的3?-非翻譯區（UTR）序列具有顯著高于T003的3’-UTR序列的增強翻譯效率

“SCMV侵染玉米后，盡管ZmPSY1總轉錄本水平顯著降低，但在侵染后期具有高翻譯效率的轉錄本T001的相對表達水平被維持，這有利于ZmPSY1蛋白水平的維持從而在SCMV的高效侵染和癥狀形成中發揮重要作用。”杜開通說。

該研究得到了國家重大專項、重點研發計劃及國家自然科學基金等資助。