近日，中国农业科学院植物保护研究所李方方、周雪平研究员团队创新突破，成功开发出翻译抑制-转录激活（TI-TA）病毒响应型合成免疫模块。该技术精准靶向各类依赖亚基因组RNA增殖的正链RNA病毒，可在不干扰作物正常生长发育的前提下，智能启动抗病毒防御，为番茄、烟草等重要农作物抗RNA病毒育种提供了全新的可编程技术工具，也为植物病毒病害绿色防控开辟了新思路。相关研究成果″Specific and Efficient Translation Inhibition-Transcription Activation Resistance Module Against Viruses in Plants″发表于Science子刊《Science Advances》期刊上。
正链RNA病毒是威胁全球农业生产与公共卫生安全的核心病原类群。在植物病原中，番茄褐色皱果病毒、黄瓜花叶病毒、烟草花叶病毒、凤果花叶病毒等千余种重要作物病毒均归属于此类；动物病原方面，新冠病毒、基孔肯雅病毒、风疹病毒、传染性支气管炎病毒、猪繁殖与呼吸综合征病毒等重大人畜病毒同样属于该类群。该类病毒多数依靠亚基因组RNA完成关键蛋白表达，普遍具有传播速度快、寄主范围广、变异能力强的特点：在农业领域常年造成作物大幅减产与品质劣变，严重威胁粮食安全与农民增收；在公共卫生领域极易引发跨物种传播与疫情暴发，持续对人类健康和畜禽养殖业构成重大风险。
长期以来，植物抗病毒育种与防控存在显著技术瓶颈。传统天然抗病毒R基因稀少有限、抗性谱窄而且易因病毒基因突变被突破，而传统组成型免疫激活策略会持续消耗作物自身能量用于防御，导致作物产量下降，引发″生长-防御权衡″矛盾，因此，兼顾高效抗病与稳产增产一直是农业生产中亟待攻克的难题。开发″病毒入侵才启动、无病静默生长″的智能精准抗病系统是植物免疫与育种领域的核心攻关目标。
研究团队另辟蹊径，跳出传统抗病技术逻辑，精准捕捉病毒侵染专属、寄主不具备的亚基因组RNA生成特征，创新性构建TI-TA双层人工合成免疫模块，打造出一套可控、精准、高效的植物智能抗病毒系统。该模块由两大核心功能单元构成：具备强效静默功能的TI翻译抑制元件dsBC，以及病毒专属响应的TA微型复制子转录激活模块Virusmini，并搭载BAX、INF1、NLPPya等高效抗性诱导蛋白作为核心免疫效应执行者，形成″精准感知、快速激活、高效抑制″的闭环免疫体系。
图1 TI–TA免疫模块赋予植物抗病毒能力的模式图
这套智能系统实现了″无病休眠、有病激活″的精准调控，相当于为作物装上了全天候智能病毒安防警报系统。在无病毒侵染的正常生长环境下，dsBC元件可在mRNA层面强力抑制下游抗性蛋白的翻译过程，让免疫防御系统完全处于静默休眠状态，彻底规避免疫耗能对作物生长的影响，保障植株正常萌发、生长与发育。一旦病毒入侵寄主植株，病毒自身的RNA依赖RNA聚合酶会特异性识别Virusmini微型复制子，启动病毒专属的亚基因组转录程序，精准解除免疫抑制，快速诱导抗性蛋白大量表达，激活植株细胞坏死与抗病毒防御通路，快速遏制病毒增殖与扩散。
研究团队通过多轮元件筛选与系统迭代优化，敲定了最优技术组合。通过系统性对比多类元件及串联组合，筛选出抑制效率最优的dsBC翻译抑制元件；突破单一启动子激活局限，重构整合病毒UTR、亚基因组启动子等核心顺式元件的微型复制子Virusmini，实现病毒依赖型的高效特异性转录激活。同时，团队探明了不同病毒的系统适配规律，针对不同RNA病毒的RNA结构特征，微调模块插入位点，大幅提升了系统的适配性与抗病稳定性，实现了技术体系的定制化、可拓展优化。
研究团队分别构建靶向凤果花叶病毒、烟草花叶病毒、黄瓜花叶病毒的三套TI-TA转基因材料，在烟草、番茄、拟南芥等多种模式植物与经济作物中完成系统性功能验证。试验结果表明，无病毒胁迫下，转基因植株的种子萌发、根系发育、株型长势、叶片形态等农艺性状与野生型植株无显著差异，无任何发育缺陷与生长抑制；在病毒侵染胁迫下，系统可快速特异性激活免疫应答，显著降低植株体内病毒积累量，大幅减轻病害症状。其中，靶向黄瓜花叶病毒的转基因拟南芥可近乎完全阻断病毒系统性侵染，实现免疫级抗性；靶向凤果花叶病毒的转基因番茄也展现出极强的抗病能力，应用潜力突出。
尤为关键的是，该合成免疫体系突破了传统抗病技术″一对一抗病、易突变逃逸″的短板，具备优异的广谱交叉抗病能力。靶向凤果花叶病毒的株系可抵御同属马铃薯X病毒侵染，靶向烟草花叶病毒的材料可减轻番茄褐色皱纹果病毒危害，靶向黄瓜花叶病毒的株系可高效抵抗不同病毒株系侵染。同时，多组对照试验证实，该系统免疫特异性极强，仅特异性响应病毒侵染，不会被细菌、真菌等其他病原以及高温、干旱等非生物胁迫误激活，可有效避免植株自身免疫损伤，抗性安全稳定。
该成果革新了传统抗病毒策略的技术逻辑，跳出了靶向病毒核酸、识别病毒特异蛋白、依托寄主固有抗病基因的传统技术路径，创新性劫持病毒自身复制转录的核心生命过程作为专属免疫激活开关，耦合强效抗性功能蛋白精准启动植物防御应答。相较于传统抗病体系，该技术从底层原理上破解了病毒基因突变引发的抗性逃逸难题，突破了新发、变异病毒无天然抗病基因可用的育种瓶颈，彻底规避了组成型免疫激活带来的″生长-防御权衡″弊端，在保障作物正常生长与稳产的同时，显著提升了抗病稳定性，并实现跨毒株、跨近缘病毒的广谱交叉保护效应。TI-TA人工合成免疫框架，不仅为亚基因组RNA病毒抗性作物分子育种提供了模块化、可编辑、可拓展的新型技术工具箱，还为动物RNA病毒的人工合成免疫治疗提供了原创性概念与理论启发，兼具重要的基础理论价值与广阔的产业应用前景。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aeg0007.
来源: 中国农业科学院植物保护研究所
