水稻的秘密武器:植物如何感知病毒並啟動防禦機制?

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水稻。圖片取自維基百科。

水稻。圖片取自維基百科。

當我們生病時,身體會透過免疫系統來對抗病毒,例如產生抗體或發炎反應。植物當然也有自己的「免疫系統」,能夠感知病毒的入侵並啟動防禦反應。最近,一篇發表在《Nature》的研究發現,水稻擁有一種特殊的分子感測器,可以偵測病毒的入侵,並迅速發動「化學戰」,阻止病毒擴散。


水稻是全球半數人口的主要糧食作物,但它經常受到昆蟲傳播的病毒威脅。例如,小褐飛蝨(Laodelphax striatellus)會攜帶水稻條紋病毒(RSV, Rice stripe virus),在吸食水稻汁液時,將病毒注入植物體內。


與動物病毒依賴「受體」進入細胞不同,植物病毒通常是被昆蟲直接「注射」到細胞內。因此,科學家一直在尋找:水稻是如何知道自己被感染的?這個問題直到最近才有了解答。


研究人員發現,水稻透過一種泛素連接酶 OsRBRL 來感知病毒感染。這個蛋白的功能就像是一個「病毒探測器」,當它偵測到 RSV 的「衣殼蛋白(CP, Coat Protein)」後,便會啟動一系列防禦機制。


他們是怎麼找到這個基因的呢?研究團隊讓水稻透過攜帶RSV的小褐飛蝨來自然感染 RSV,然後分析感染後細胞內有哪些蛋白質可以與RSV的衣殼蛋白結合。他們發現,RSV 的衣殼蛋白會進入細胞核,並與 OsRBRL 直接結合。這表示 OsRBRL 是水稻辨識病毒的第一道防線!


OsRBRL 感應到病毒的衣殼蛋白後,它會標記並分解一種叫做 NINJA3 的轉錄抑制蛋白,進一步釋放出植物的「茉莉酸(JA, Jasmonate)」訊號。這個過程類似於按下「緊急啟動按鈕」,讓水稻細胞迅速發動防禦反應。


這個反應包括了以下的幾個步驟:首先,病毒衣殼蛋白(CP)與 OsRBRL 互動,觸發抗病毒機制。接著,OsRBRL 泛素化 NINJA3造成NINJA3分解,解除茉莉酸訊息傳導路徑的抑制。


於是,茉莉酸訊息傳導啟動,抗病毒蛋白 AGO18 的表現量上升, RNA 干擾(RNAi)系統的活性上升,進行病毒 RNA的清除。於是,病毒複製被抑制,感染的程度降低。


這項研究解釋了植物如何「感知病毒」,並發現了一個前所未見的抗病毒分子機制。過去,我們只知道植物利用 RNA 沉默(RNAi)來對抗病毒,但卻不清楚植物是怎麼「知道」自己被感染的。現在,我們知道原來 OsRBRL 就是這個「感測器」。


少了這個「感測器」,對水稻會不會有影響呢?研究團隊建構了剔除與高度表現OsRBRL的水稻。結果發現,突變株受 RSV 感染後症狀加重,JA 含量降低,抗病毒基因(AGO18)表現下降,且病毒累積量顯著增加;而高度表現RBRL 的植株,受 RSV 感染後症狀較輕,JA 含量提高,AGO18 表現增加且病毒累積量顯著降低。所以,少了這個「標兵」,對植物來說影響可不小!


更令人驚訝的是,研究團隊發現 OsRBRL 也能感應水稻矮化病毒(RDV, Rice dwarf virus)!也就是說,這個機制可能不只針對 RSV,而是可以幫助水稻對抗多種昆蟲傳播的病毒。


這個發現對於農業有極大的應用價值。如果我們能夠透過基因編輯技術(CRISPR)或分子育種來強化 OsRBRL 的功能,那麼我們就能培育出更加抗病的水稻品種,減少農藥的使用,提高作物產量,確保全球糧食安全。


這項發現不僅加深了我們對植物免疫系統的理解,也為未來的農業科技開啟了新的可能性。或許在不久的將來,我們能夠種出更健康、更強壯的水稻,來對抗大自然中的病毒挑戰!


參考文獻:


Huang, Y., Yang, J., Sun, X., et al. (2025). Perception of viral infections and initiation of antiviral defence in rice. Nature. DOI: 10.1038/s41586-025-08706-8


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