近日，Science Advances發(fā)表了來自北京大學生命科學學院李毅教授課題組的“The key micronutrient copper orchestrates broad-spectrum virus resistance in rice”研究論文（2022，Vol.8， issue 26.DOI:10.1126/sciadv.abm0660），揭示了重要微量元素銅介導的水稻廣譜抗病毒分子機制。
水稻是我國最重要糧食作物之一，是全球半數以上人口的主食。由介體昆蟲傳播的水稻病毒病是造成水稻嚴重減產的主要病害之一。其中，由水稻條紋病毒（RSV）造成的水稻條紋葉枯病以及水稻矮縮病毒（RDV）造成的水稻矮縮病在中國、韓國和日本等地反復爆發(fā)，嚴重影響水稻品質與安全生產。然而，目前對于水稻在遭受病毒侵染后的分子響應機制研究還有待深入，在實際生產中也缺乏有效的控制方法。
李毅課題組多年來聚焦于病毒和宿主水稻以及媒介昆蟲之間的互作關系。課題組先前的研究發(fā)現，RSV侵染水稻后，病毒外殼蛋白（CP）能夠誘導植物體內茉莉酸（JA）含量顯著積累，JA通路關鍵轉錄因子JAMYB能夠結合并激活RNA沉默通路核心因子AGO18的啟動子，從而誘導AGO18表達（Yang et al.,2020,Cell Host & Microbe）。AGO18一方面能夠結合miR168以抑制其對AGO1的切割作用，使得AGO1可以通過結合病毒siRNA介導抗病毒免疫（Wu et al., 2015, eLife）；另一方面，AGO18還能夠與AGO1競爭性結合miR528，釋放miR528的靶標基因抗壞血酸氧化酶（AO），調節(jié)植物體內的氧化還原穩(wěn)態(tài)，促進活性氧（ROS）的積累從而增強水稻的抗病毒免疫（Wu et al., 2017,Nature Plants）。此外，課題組還發(fā)現，miR528的轉錄因子SPL9在病毒侵染以后蛋白含量顯著減少，因此受到SPL9轉錄激活調控的miR528積累減少，進而提高了靶基因AO的表達，增強了水稻的抗病毒能力（Yao et al., 2019,Molecular Plant）。
近日，李毅課題組在上述水稻抗病毒免疫基礎上，報道了重要的微量元素銅能夠通過抑制SPL9來增強水稻的抗病毒能力。銅離子是植物正常生長以及響應逆境的一種重要微量元素，以銅離子為主要組分的波爾多液在農業(yè)生產中也被廣泛使用，但是銅離子是否影響植物抗病毒能力仍然缺乏研究。李毅課題組的研究發(fā)現，銅離子轉運和銅離子結合蛋白編碼基因在病毒侵染水稻以后，受到顯著誘導或抑制，并且銅離子轉運突變體對病毒侵染更為敏感。此外，銅離子在病毒侵染水稻后會發(fā)生含量與分布變化，病毒侵染能夠促進銅離子在水稻地上部分積累，有趣的是，盡管葉片總的銅含量在病毒侵染后增加，通過透射電鏡-能譜儀以及分離亞細胞結構測定銅含量，研究發(fā)現病毒侵染會導致水稻細胞間隙的銅含量降低，即更多的銅離子會進入細胞內發(fā)揮作用。進一步的研究發(fā)現，銅離子發(fā)揮抗病毒功能依賴于課題組先前發(fā)現的SPL9-miR528-AO-ROS這一通路，銅離子一方面能夠抑制SPL9的蛋白積累水平和SPL9結合miR528啟動子的能力，從而使得miR528表達量降低，進而增強AO的積累量和ROS水平；另一方面，銅離子能夠直接影響AO的酶活，當AO的銅離子結合位點突變后，AO介導的抗病毒能力也會受到抑制。研究發(fā)現，通過直接外源施加銅離子或者通過基因編輯技術敲除水稻銅離子轉運基因（COPT7），均能通過提高銅離子積累并進而調控SPL9-miR528-AO通路增強水稻對病毒的抗性，為銅離子抗病毒的實際應用提供了潛在思路。重要的是，銅離子介導的上述抗病毒通路對不同水稻病毒（RSV和RDV）具有廣譜抗性，暗示了銅離子的廣闊應用前景。
北京大學博士后姚升澤博士和博士研究生康錦瑞為該論文的共同第一作者，李毅為該論文的通訊作者。北京大學許智宏院士、江蘇農科院周彤研究員為該論文共同作者。該研究得到國家自然科學基金重大項目、國家重點研發(fā)計劃和國家水稻產業(yè)體系項目的大力支持。
