曾感染台灣九成竹子 探究竹嵌紋病毒如何感染

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病毒會使我們生病,而現在提到病毒,大家不約而同的都會想到令人聞之色變的「嚴重急性呼吸綜合症冠狀病毒2」(SARS-CoV-2)!目前全球已超過八千八百萬人感染,造成超過一百九十萬人死亡,真是可怕的病毒啊!

感染人類的病毒讓人害怕,但病毒也會感染植物,造成農作物的損失。如大名鼎鼎的竹嵌紋病毒(Bamboo Mosaic Virus,簡稱BaMV)雖然基因體只由五個基因組成,卻也曾經一度感染了台灣九成的竹子,影響竹筍的產量。

慈濟大學生命科學系的鄭綺萍老師致力於研究竹嵌紋病毒如何感染植物,希望能找到抑制竹嵌紋病毒感染植物的方法。由於竹子的生命週期很長,加上在實驗室除了用基因槍以外都無法成功感染,因此研究竹嵌紋病毒的團隊們以圓葉煙草(Nicotiana benthamiana)為模式植物,建立了竹嵌紋病毒感染的模型。

由於竹嵌紋病毒只有五個基因,所以要成功地感染植物,一定要跟諸葛亮學習「草船借箭」的功夫:將宿主的蛋白質搶過來自己用、逼宿主的蛋白質為自己效勞,幫自己複製RNA、散播感染。

過去綺萍老師的研究團隊找到了一個稱為NbRABG3f的蛋白質,這個蛋白質會幫助病毒將它帶到植物細胞內執行複製的地方。近年來,綺萍老師的研究團隊除了繼續研究NbRABG3f,還有了新的研究目標:NbRABF1。根據其他實驗室的發現,推測細胞內應該還有其他的基因可以幫助竹嵌紋病毒在宿主細胞裡面的移動,並進而感染其他細胞,於是決定去找這個基因。以阿拉伯芥的基因序列做搜尋,研究團隊找到了NbRABF1。

為了要瞭解病毒是否需要NbRABF1來感染植物,綺萍老師的研究團隊與合作實驗室以生物技術將NbRABF1的表現量下降到原來的18%。結果發現,當NbRABF1表現量下降時,不僅病毒的鞘蛋白累積量減少了,病毒的病灶也縮小了三分之一。相對的,當NbRABF1表現量上升時,病灶就擴大了。

將NbRABF1對照其他生物的類似基因發現,它的第二個與第三個胺基酸對於移動到細胞膜上可能很重要。於是綺萍老師的研究團隊與合作實驗室便將這兩個胺基酸由甘胺酸與半胱氨酸改變為丙胺酸。將甘胺酸變為丙胺酸之後的NbRABF1無法移動到細胞膜上,而由半胱氨酸改變為丙胺酸之後的NbRABF1則約有一半在細胞膜上。改變這兩個胺基酸為丙胺酸後,也造成病毒無法累積,顯示病毒的確需要NbRABF1來成功感染植物。由於NbRABF1會從高基氏體(Golgi apparatus)所產生的囊泡運送到細胞膜,從共軛焦顯微鏡也可以看到竹嵌紋病毒的基因體出現在囊泡裡面,而突變後的NbRABF1便無法進行這件事,因此目前認為NbRABF1可能會將病毒帶到細胞膜再運送出去,從而感染更多細胞;但究竟到了細胞膜是怎樣出去(透過原生質絲還是胞外體?),目前也不清楚。

另外綺萍老師的研究團隊也發現,病毒蛋白TGBp1、TGBp2與CP(鞘蛋白)與細胞囊泡的網格蛋白(clathrin)之間也存在著互動關係。將這幾個蛋白與網格蛋白互動所需要的胺基酸改變後,會造成感染無法擴大,顯示了病毒的感染也要借重有網格蛋白的囊泡。

而之前研究的NbRABG3f,最近綺萍老師也觀察到,也會與竹嵌紋病毒的基因體一起出現在同一個地方;在有竹嵌紋病毒的基因體的存在下,NbRABG3f似乎比較容易跟葉綠體有互動。由於過去曾有其他研究團隊的研究發現,病毒的基因體在葉綠體中會複製,所以目前認為或許NbRABG3f可能是將病毒帶到葉綠體中去進行複製。

雖然目前所看到的證據支持病毒應該是藉由NbRABG3f與NbRABF1來完成人生大事的,但這些證據都是間接的證據,因此綺萍老師的研究團隊下個目標就是要分離出囊泡,分析這些囊泡裡到底有多少蛋白質?是否有病毒的基因體、NbRABG3f、NbRABF1、TGBp1、TGBp2與CP?是否也有網格蛋白?最簡單的模型當然是它們通通都在裡面,但病毒的感染途徑有時不只一個,所以也只能繼續努力,看看到底是怎麼回事囉!

【參考文獻】Ying-Ping Huang, Pei-Yu Hou, I-Hsuan Chen, Yau-Huei Hsu, Ching-Hsiu Tsai, Chi-Ping Cheng, Dissecting the role of a plant-specific Rab5 small GTPase NbRabF1 in Bamboo mosaic virus infection, Journal of Experimental Botany, Volume 71, Issue 22, 31 December 2020, Pages 6932–6944, https://doi.org/10.1093/jxb/eraa422

(撰文:葉綠舒、圖片:慈濟大學)