本文是一篇关于植物病毒与叶绿体蛋白相互作用的原创研究论文，发表于《Journal of Experimental Botany》2020年第71卷第6期，由Xue Yang、Yuwen Lu等作者共同完成。研究主要探讨了叶绿体蛋白Ferredoxin 1（Fd1）在烟草（Nicotiana benthamiana）对马铃薯X病毒（Potato Virus X, PVX）感染中的多重响应机制。
研究背景
植物病毒通过编码特定蛋白直接靶向叶绿体或与叶绿体蛋白相互作用，以促进病毒感染或削弱植物的防御反应。Fd1是一种参与叶绿体电子传递链的小分子蛋白，已知与番茄花叶病毒（Tomato Mosaic Virus, ToMV）和黄瓜花叶病毒（Cucumber Mosaic Virus, CMV）的外壳蛋白（Coat Protein, CP）相互作用。然而，Fd1在病毒感染中的具体作用尚不明确。本研究旨在揭示PVX的P25蛋白与Fd1的相互作用，并探讨Fd1在PVX感染中的多重响应机制。
研究流程
Fd1与PVX P25的相互作用验证：
- 通过酵母双杂交（Yeast Two-Hybrid, Y2H）筛选，发现Fd1与PVX P25蛋白存在相互作用。
- 使用双分子荧光互补（Bimolecular Fluorescence Complementation, BiFC）和共免疫沉淀（Co-Immunoprecipitation, Co-IP）实验进一步验证了Fd1与P25在植物体内的相互作用。
PVX感染或P25表达对Fd1的影响：
- 通过定量逆转录实时PCR（qRT-PCR）和蛋白质印迹（Western Blot）分析，发现PVX感染或P25的瞬时表达显著降低了Fd1的mRNA和蛋白水平。
Fd1沉默对PVX感染的影响：
- 利用烟草脆裂病毒（Tobacco Rattle Virus, TRV）介导的病毒诱导基因沉默（Virus-Induced Gene Silencing, VIGS）技术沉默Fd1，发现Fd1沉默促进了PVX的局部和系统性感染。
- 通过Drop-and-See（DANS）实验和胼胝质染色，发现Fd1沉默植物的胞间连丝（Plasmodesmata, PD）通透性增加，胼胝质沉积减少。
Fd1沉默对植物激素的影响：
- 通过液相色谱-质谱联用（LC-MS）分析，发现Fd1沉默植物中脱落酸（Abscisic Acid, ABA）和水杨酸（Salicylic Acid, SA）的积累显著减少，这可能是导致PD胼胝质沉积减少的原因。
Fd1过表达对PVX感染的影响：
- 构建了Fd1过表达的转基因烟草植株，发现Fd1过表达增强了植物对PVX感染的抗性。
- 进一步实验表明，Fd1过表达干扰了P25的RNA沉默抑制功能，从而抑制了PVX的感染。
主要结果
- Fd1与PVX P25的相互作用：通过Y2H、BiFC和Co-IP实验，证实了Fd1与PVX P25在体外和植物体内均存在相互作用。
- PVX感染或P25表达降低Fd1水平：PVX感染或P25的瞬时表达显著降低了Fd1的mRNA和蛋白水平。
- Fd1沉默促进PVX感染：Fd1沉默显著增加了PVX的局部和系统性感染，并导致PD通透性增加和胼胝质沉积减少。
- Fd1沉默影响植物激素水平：Fd1沉默导致ABA和SA的积累减少，进而影响了PD胼胝质的沉积。
- Fd1过表达增强抗病毒能力：Fd1过表达显著增强了植物对PVX感染的抗性，且这一抗性与ABA和SA的积累无关，而是通过干扰P25的RNA沉默抑制功能实现的。
结论
本研究揭示了Fd1在PVX感染中的多重作用机制。Fd1通过与PVX P25的相互作用，调控植物激素ABA和SA的积累，进而影响PD胼胝质的沉积和PVX的细胞间移动。Fd1的沉默促进了PVX的感染，而Fd1的过表达则增强了植物对PVX的抗性。这些发现为理解植物病毒与叶绿体蛋白的相互作用提供了新的视角，并为开发抗病毒策略提供了潜在靶点。
研究亮点
- Fd1与PVX P25的相互作用：首次揭示了Fd1与PVX P25的相互作用，并阐明了其在PVX感染中的多重作用机制。
- Fd1沉默促进PVX感染：通过VIGS技术，发现Fd1沉默显著促进了PVX的局部和系统性感染，并揭示了PD通透性和胼胝质沉积的变化。
- Fd1过表达增强抗病毒能力：Fd1过表达显著增强了植物对PVX的抗性，且这一抗性与ABA和SA的积累无关，而是通过干扰P25的RNA沉默抑制功能实现的。
研究意义
本研究不仅深化了对植物病毒与叶绿体蛋白相互作用的理解，还为开发基于Fd1的抗病毒策略提供了理论依据。通过调控Fd1的表达，可能为农业生产中病毒病害的防控提供新的思路。