Cu-microRNAs介导的铜离子稳态调控的水稻抗病毒机制

Viral pathogens are a serious threat to rice production in China, so it is of significant value to explore rice immunity against viruses. However, crop genetic antiviral breeding faces enormous challenges due to virus diversity and rapid variation. Copper is widely used in disease resistance, and great advances have been made on our understanding of plant immunity against bacterial pathogens, but how copper function in virus-plant interactions is elusive. According to previous data, miR528 negatively regulated the expression of miR397 and miR398, regulating rice copper ions redistribution between tissues. Copper ions treatment boosted antiviral resistance in rice, which shed light on copper ions-mediated antiviral immunity in virus-rice interactions. The project aims at illustrating Cu-microRNAs-based copper ion homeostasis-mediated antiviral mechanisms by functional dissection of Cu-microRNAs (miR397, miR398, and miR528) in both of copper ions redistribution and rice immunity. The research is conducive to the expansion of copper ions’ theory and application, which provides a theoretical basis for antiviral breeding.

病毒是我国水稻生产安全的主要威胁之一，探索水稻抗病毒机理具有重要的价值和意义，但是病毒的多样性和快速变异使得抗病毒工作面临巨大挑战。铜制剂被广泛应用于植物抗病，其抗细菌的机制被深入解析，但其抗病毒的研究则相对匮乏。我们前期研究发现miR528负调控铜离子稳态相关的miR397和miR398的表达，协同调控组织细胞间的铜离子分布；而且外源施加铜离子增强了水稻对病毒的抗性，但是铜离子参与的水稻抗病毒机制尚不明确。该研究通过探索Cu-microRNAs（miR397、miR398和miR528等）在病毒-水稻互作中的角色和其协同调控的水稻抗病毒机理，旨在解析Cu-microRNAs介导的铜离子稳态调控的水稻抗病毒机制。本项目有利于拓展铜离子抗病毒的理论和应用，为辅助水稻抗病毒育种提供理论依据。

病毒病会造成植物严重的生长紊乱，威胁农作物生产。铜是广谱抗病毒元素，也是植物发育必不可少的微量元素。但是，铜介导的抗病毒机制复杂多样，其中Cu-miRNA协同调控的水稻抗病毒通路尚不完全清楚。病毒改变了水稻中多种元素的含量，并显著提高了铜的浓度。研究发现，铜转运蛋白COPT1和COPT5负责铜的吸收，HMA5负责铜向地上组织的运输。超量表达COPT1（OXCOPT1）或COPT5（OXCOPT5）的水稻均增强了水稻对病毒的抗性，而且OXCOPT5抗性更强。HMA5功能缺失突变体hma5呈现更严重的发病症状，对病毒更加敏感。铜转运蛋白调控了水稻中铜浓度，进而引发Cu-miRNA的响应。在Cu-miRNA中，miR528响应病毒，并负调控了miR397和miR398。超量表达miR528（OX528）的水稻增强了对水稻草状矮缩病毒（RGSV）的抗性，而miR528突变体mir528提高了水稻对RGSV的感病性。miR397和miR398的积累量在OX528中显著降低，而在mir528中显著增多，其作用靶标LAC和CSD随之变化。因此，Cu-miRNA介导的铜稳态，参与调控了水稻对病毒的抗性。铜处理增强了水稻对RGSV的抗性，而且随着外部铜浓度的增加，水稻中铜浓度也相应地增加，同时铜离子的分布也发生了改变，从均匀分布向特异性富集转变。此外，10μM铜处理改变了RGSV对水稻铜离子稳态的调控，这可能是铜抗病的原因之一。高通量测序结果也显示，在Cu-miRNA之外，铜和病毒还调控了水稻木质素和活性氧信号通路。进一步的实验结果显示铜稳态与胼胝质存在高相关性，并依赖COPT5的功能，缺失胼胝质合成酶水稻对病毒更加敏感。综上所述，该研究初步揭示了Cu-miRNA调控铜稳态介导的抗病毒机制，这对更好地应用铜制剂防控水稻病毒病具有一定的理论和实践价值。