清华大学刘玉乐团队揭示植物抗病毒及病毒反防御新机制 | CellPress对话科学家

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2021年8月4日，清华大学刘玉乐教授团队在Cell Press细胞出版社期刊Cell Host & Microbe上在线发表了题为“一个结合钙调蛋白的转录因子把钙信号与植物抗病毒RNAi防御联系起来”（A calmodulin-binding transcription factor links calcium signaling to antiviral RNAi defense in plants）的研究论文。该论文报道了植物通过识别植物病毒侵染过程中保守的分子模式：创伤诱导的钙流，启动植物抗病毒RNAi防御的分子机制及其相应的病毒反防御机制。其中钙调蛋白结合转录因子CAMTA3通过激活RDR6和核酸酶BN2基因的转录促进多个RNAi通路基因的RNA水平的上调，从而增强植物抗病毒RNAi过程。

Cell Press细胞出版社微信公众号邀请论文作者对该研究进行了解读，旨在与广大科研人员深入分享该研究成果以及一些未来的展望，点击“阅读原文”或识别下图二维码阅读英文原文。

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植物病毒可对作物的产量和品质造成巨大危害。同时植物也不是坐以待毙，植物也进化出多种防御机制对抗病毒的侵染，其中一种重要的植物抗病毒防御机制是RNA干扰（RNA interference，RNAi）。RNAi也是一种在真核生物中被广泛研究的先天免疫和基因调控机制。它通过小RNA（small RNA，sRNA）靶向基因mRNA从而干扰基因的表达。尽管对RNAi抗病毒的分子机制已经有了很好的了解，但是对病毒侵染时寄主如何感知病毒侵染并激活和调控寄主RNAi通路的基因表达尚不清楚。另外，大多数植物病毒通过昆虫、线虫、真菌等传播，还有一些病毒通过物理接触传播，因而植物病毒侵染通常会伴随昆虫叮咬或者机械损伤。

刘玉乐团队发现：病毒侵染过程中伴随的昆虫叮咬或者机械损伤会激活强烈的钙流信号，螯合了钙离子的钙调蛋白（CaM）会进一步结合钙调蛋白结合转录因子CAMTA3，激活该转录因子的功能。CAMTA3能够促进RNAi通路关键基因RDR6的转录，同时CAMTA3还能够促进一个新的RNAi相关基因BN2的转录。BN2作为核酸酶能够通过降解miR168、miR403、miR162等miRNAs的方式进一步上调RNAi通路中这些miRNAs的靶基因Argonaute 1/2和Dicer like-1的mRNA水平。这些RNAi通路核心基因的上调表达增强了植物抗病毒RNAi的能力，帮助植物更好地抵抗病毒侵染。该工作首次将钙信号与RNAi和抗病毒RNAi联系起来，揭示了一条全新的从植物感知病毒入侵伴随的创伤导致的钙流到植物抗病毒RNAi增强的通路(Wounding→Ca²⁺→CaMs→CAMTA3→BN2/RDR6→RNAi)。

同时刘玉乐团队还发现：木尔坦棉花曲叶病毒和中国番茄黄化曲叶病毒的V2蛋白能够通过和CaM3的互作，干扰CaM3与CAMTA3的结合，抑制CAMTA3对RDR6、BN2等基因的转录调控，负调控植物抗病毒RNAi过程，从而促进病毒的侵染。这一发现也揭示了一条全新的病毒反防御的机制。

这一工作再次证明了植物与病毒共同进化过程中，双方都可以衍生出自己的“武器”，为植物抗病毒与病毒反防御机制提供了新的范例。

清华大学生命科学学院博士后王韵婧和博士生龚骞为论文共同第一作者，清华大学生命科学学院刘玉乐教授为论文的通讯作者。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者刘玉乐教授代表团队进行了专访，请他为大家进一步详细解读。

CellPress：

RNAi是植物重要的一种基因调控和防御机制，但是目前对有关宿主是如何感知病毒入侵并激活、增强RNAi的机制却知之甚少，请问这是为什么？

刘玉乐教授：

宿主感知病毒入侵属于植物抗病毒过程中的早期事件，它是一个相对瞬时的过程，影响因素较多。如果没有长期对该问题锲而不舍的研究以及对该早期事件的深入理解，科学家通常不知从何入手进行突破研究。我们非常幸运，对这一问题有了突破。

CellPress：

请问您是如何想到将钙信号与RNAi联系起来的？

刘玉乐教授：

我们一直研究双生病毒的致病机制。我们首先发现其中一种双生病毒，木尔坦棉花曲叶病毒（CLCuMuV），编码的V2蛋白作为一个RNAi抑制子能够和钙调蛋白（CaM）互作。CaM在植物体内的主要作用之一就是钙离子的感受器，其耦合了钙离子后会变构，进而通过与其他蛋白互作的方式将钙信号传递下去。其次，我们还发现钙调蛋白以及互作的钙调蛋白结合转录因子CAMTA3能促进对RNAi，再次，我们发现CAMTA3作为转录因子正调控RNAi通路多个核心基因（RDR6，AGO1/2，DCL1）的RNA水平。此外，我们还发现钙离子耦合的钙调蛋白与CAMTA3的结合增强CAMTA3对RNAi部分基因的转录调控。这些发现表明钙信号对RNAi非常重要。

CellPress：

病毒入侵过程中，钙信号在RNAi相关基因的激活中发挥怎样的作用？

刘玉乐教授：

病毒入侵植物通常伴随有昆虫叮咬或者机械损伤，而我们发现：创伤会激起植物产生强烈的钙流。钙离子耦合钙调蛋白后与CAMTA3结合，这促进了CAMTA3转录功能，上调了RNAi通路核心基因RDR6和BD2的表达。我们还发现：创伤处理植物不仅提高了一些RNAi相关基因的mRNA水平，而且可抑制病毒对植物的侵染，在camta3敲除的植物上这些反应减弱。这些发现说明病毒入侵过程中伴随的钙流，能作为病毒侵染保守的分子模式被植物识别，从而激活RNAi相关基因的转录，增强植物抗病毒RNA i防御。

CellPress：

钙调蛋白（CaM）、CAMTA3和BN2在感知病毒入侵并增强RNAi的过程中分别发挥了怎样的功能？

刘玉乐教授：

在植物病毒入侵过程中，机械损伤或者昆虫叮咬会激活钙流信号，钙调蛋白CaM会耦合胞内的钙离子进行变构，结合钙离子的CaM能够通过与CAMTA3互作的方式激活CAMTA3的转录功能，被CaM激活的CAMTA3作为转录因子能够直接结合在RDR6、BN2的启动子区域对二者进行正向转录调控；BN2是一个核酸酶，能够通过降解植物的miRNA168、miR162和miR403来上调它们的靶标基因AGO1/2，DCL1的mRNA水平，从而使RNAi相关基因上调表达，增强抗病毒RNAi。

CellPress：

双生病毒V2蛋白是如何对抗RNAi的？

刘玉乐教授：

我们在研究中发现，CaM-CAMTA3的互作能够激活CAMTA3对RDR6、BN2的转录，从而增强RNAi过程，而双生病毒V2蛋白能够通过和CaM蛋白结合，进而抑制CaM-CAMTA3间的互作来抑制抗病毒RNAi。

CellPress：

本研究的发现能够为宿主抗病毒机制的研究提供哪些帮助？

刘玉乐教授：

RNAi是主要的宿主抗病毒手段之一，然而植物如何感知病毒侵染进而启动RNAi基因的表达一直不清楚。本研究揭示植物通过识别植物病毒侵染过程中创伤诱导的钙流启动植物抗病毒RNAi防御。在许多病毒侵染植物的过程中常伴随多个植物RNAi相关基因的表达，然而，RNAi核心基因的转录调控机制以及为什么病毒侵染植物过程中常伴随多个植物RNAi相关基因的表达的机制也不清楚。本研究发现病毒侵染植物细胞早期，昆虫叮咬或者机械损伤所激活的钙流信号能够通过Ca²⁺-CaM-CAMTA3级联系统，正向调控RNAi通路基因的转录，上调多个RNAi通路关键基因的mRNA水平，为植物抗病毒RNAi提供足够的弹药，帮助植物更好地抵抗病毒的侵染。这些发现首次将钙信号与抗病毒RNAi联系起来，揭示了一条全新的植物通过感知病毒入侵伴随的创伤导致的钙流增强植物抗病毒RNAi的通路(Wounding→Ca²⁺→CaMs→CAMTA3→BN2/RDR6→RNAi)，为宿主抗病毒机制研究提供了新的思路。

作者介绍

刘玉乐  

教授

刘玉乐，清华大学生命科学学院长聘教授，国家杰出青年基金获得者，主要研究植物抗病毒免疫、植物病毒病理以及植物细胞自噬。1988年本科毕业于南开大学生物化学专业；随后十年在中国科学院微生物所工作和学习，1992年和1997年分别获得硕士和博士学位，1998年晋升为研究员；1998-1999年在美国德州大学奥斯丁分校进行病毒学研究，1999-2006年在美国耶鲁大学进行植物抗病毒机制研究，2007年回国任教于清华大学。在Cell、Cell Host & Microbe、Developmental Cell、eLife、Autophagy、Plant Cell、Molecular Plant、Annual Review of Virology 等刊物发表SCI论文100余篇，在谷歌学术中论文被引用总数超过20100次，是国际上植物病毒学和植物免疫学研究领域论文引用最高的学者之一。刘玉乐教授发展了在国际上使用最广泛的研究植物基因功能的病毒诱导的基因沉默系统（TRV和FoMV），率先发展了研究植物miRNA功能的病毒系统（TRV、PVX和CabLCuV），发现一系列调控植物抗病毒的基因或途径，发现细胞自噬在高等生物中负调控细胞死亡，发现细胞自噬是一种新的植物抗病毒机制和降解植物叶片淀粉机制；发现第一个植物病毒细胞自噬激活子和抑制子及其分子机制,发现第一例完全依赖细胞自噬的植物细胞死亡，发现一种新的叶绿体自噬现象，揭示了一条全新的植物通过感知病毒入侵伴随的创伤导致的钙流增强植物抗病毒RNAi的通路。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Host & Microbe上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

▌论文标题：

A calmodulin-binding transcription factor links calcium signaling to antiviral RNAi defense in plants

▌论文网址：

https://www.cell.com/cell-host-microbe/fulltext/S1931-3128(21)00304-8

▌DOI：

https://doi.org/10.1016/j.chom.2021.07.003

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