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Plant Physiol | 中国农业大学韩成贵/王颖团队建立应用于菊科作物的高效病毒载体系统

花匠小妙招
2024-11-05 02:54

植物病毒载体在外源蛋白表达、递送编辑元件、寄主基因功能研究等领域中发挥强大作用，对缺乏稳定遗传转化体系的植物尤为重要。菊科是双子叶植物的第一大科，包括多种园艺观赏作物和经济作物，如百日菊、向日葵、洋甘菊、莴苣、蒲公英等。目前已有的植物病毒载体大多是针对粮食经济作物或模式植物的，尚缺乏适用于菊科植物的有效的病毒载体。

近日，中国农业大学分子植物病毒研究团队在Plant Physiology在线发表了题为“Rescue of a new potyvirus as an efficient viral vector for gene expression and functional studies in Asteraceae plants”的研究论文。百日菊不仅是常见的园艺植物，还是研究木质部导管分化的重要模式植物，该团队鉴定到了一种新病毒--百日菊轻斑驳病毒（Zinnia mild mottle virus，ZiMMV），并基于该病毒开发了适用于百日菊、洋甘菊、翠菊、蒲公英等多种菊科作物的高效病毒表达载体。

ZiMMV属于马铃薯Y病毒属，系统侵染寄主植物时仅表现非常轻微的症状，此特性有利于后续病毒载体的改造和开发。该研究在构建的ZiMMV侵染性克隆基础上，在病毒NIb和CP蛋白的切割位点处引入外源表达基因以及蛋白酶切割位点，构建了一系列病毒表达载体。首先利用ZiMMV载体携带eGFP基因 (图1A)，绿色荧光观察和分子检测显示重组载体至少连续45天稳定地系统侵染百日菊植株，尤其ZiMMV-eGFP能侵染花器官，花瓣组织呈现明显的荧光效果，同时，重组病毒连续3次继代摩擦接种百日菊仍能稳定表达eGFP；随后作者测试了该载体的递送潜力，ZiMMV载体在百日菊接种叶片能表达Cas9基因 (4.3 kb)，在系统叶上则可高效表达GUS基因 (1.8 kb)。

图1 利用ZiMMV载体在百日菊上表达eGFP基因

进一步利用该载体表达矢车菊素合成调控基因ZeMYB9，已有报道表明该转录因子通过诱导ZeF3’H表达上调来促进植物组织中的矢车菊素积累，导致组织呈现深红色的性状，但该研究缺乏在其基因来源作物百日菊上的直接实验证据。本研究中，当ZiMMV-ZeMYB9接种百日菊后，ZeF3’H基因显著表达，并且病毒侵染植株的叶片、茎秆和花瓣均呈现明显的矢车菊素积累表型(图2A)；同时，利用ZiMMV表达拟南芥调控赤霉素合成基因AtGA5，与对照植株相比，重组病毒侵染的植株高度明显增加(图2B)，这些结果表明ZiMMV载体可应用于百日菊基因或外源基因的功能研究。

图2 利用ZiMMV载体研究百日菊和外源基因功能

最后，为了拓展该病毒载体的应用场景，作者在不同的菊科植物上接种ZiMMV-eGFP，结果表明ZiMMV可系统侵染小百日菊、洋甘菊、翠菊和蒲公英等菊科园艺作物，并高效表达eGFP蛋白 (图3)，也可在向日葵接种叶片上表达eGFP蛋白。以上研究说明ZiMMV表达载体在菊科作物外源蛋白表达、基因编辑元件递送、基因功能研究以及园艺性状改良等方面具有强大的应用潜力。

图3 ZiMMV-eGFP系统侵染多种菊科植物

中国农业大学生物学院博士研究生杨一舟为该论文的第一作者，中国农业大学植物保护学院王颖副教授为该论文的通讯作者。中国农业大学植物保护学院韩成贵教授和生物学院王献兵教授为本研究提供了指导和帮助。高强博士、张定谅博士以及研究生谢亮、聂张尧参与该论文工作。本研究得到国家自然科学基金(32270165)的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1093/plphys/kiae356