阻擊植物病毒的“幕后先鋒”
——記北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授李毅

唐慧喬 王 輝

相較于寄生在如人體、家禽、家畜等生命體內(nèi)的動物病毒，植物病毒的“存在感”似乎并不明顯。然而，由于植物占地球生物量的80%以上，植物病毒對地球生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響遠(yuǎn)大于其他病害，且它對糧食作物和觀賞植物的影響尤為明顯，一系列植物病毒會造成全球每年約600億美元的經(jīng)濟(jì)損失。

目前，由蟲媒傳播的作物病毒病害已成為全球作物生產(chǎn)的重大威脅，并深深困擾著育種等領(lǐng)域內(nèi)的專家和從業(yè)者。早在20世紀(jì)初，研究者即發(fā)現(xiàn)葉蟬可以傳播水稻矮縮病，然而多年來相關(guān)研究多集中于對“現(xiàn)象”的分析，但“病毒侵染如何產(chǎn)生病害？昆蟲媒介如何傳播病毒？作物抵抗病毒的機(jī)制是怎樣的？”等問題尚無定論。抱持“知其然、知其所以然”的求是心態(tài)，北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生物技術(shù)系教授李毅聚焦禾本科作物的兩個重要致病病毒——葉蟬和灰飛虱傳播的水稻矮縮和條紋病毒，積極探究其病毒致病、傳播和作物抗病毒機(jī)制等重大科學(xué)問題，為我國在禾本科作物病毒研究領(lǐng)域從跟跑到領(lǐng)跑的有力轉(zhuǎn)變提供了堅實(shí)支撐。奮驥30余年，他依舊奮斗在科研一線，不知寒暑與朝暮。

赤子初心——一場叩源推委的科學(xué)追問

很小的時候，出身農(nóng)村的李毅就在鄉(xiāng)鄰的言傳身教里習(xí)得了一部分關(guān)于作物種植的技巧；而這段經(jīng)歷，也為他日后機(jī)緣巧合地進(jìn)入西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)專業(yè)埋下了伏筆。待到上大學(xué)時，以自身經(jīng)歷為基礎(chǔ)，李毅與農(nóng)學(xué)的“初次接觸”可謂順利。但他很快意識到，農(nóng)學(xué)研究僅憑口耳相傳的經(jīng)驗是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這一情況在農(nóng)作物病害的相關(guān)研究領(lǐng)域尤為明顯。

在很長的一段時間里，植物病毒相關(guān)研究一度是鮮有人涉足的空白區(qū)，而對病害機(jī)制研究的缺位無疑會讓病害預(yù)防和對策制定陷于被動，也極大地限制了后續(xù)研究向縱深發(fā)展的可能?！拔覈P(guān)于水稻的研究不勝枚舉，但是對水稻病毒病的研究卻一度進(jìn)程遲緩?！弊?992年入職北京大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院以來，李毅就下定決心將植物病毒作為切入點(diǎn)，以水稻等禾本植物為主要研究對象，就其病害成因、機(jī)制等內(nèi)容展開攻關(guān)。

然而科研之路從來不是一帆風(fēng)順的?！八镜牡疚敛∈怯傻疚敛≡鸬摹Ｔ谘芯窟^程中，我國科學(xué)工作者發(fā)現(xiàn)經(jīng)典激酶受體（NLR）類基因在抗稻瘟病中發(fā)揮重要作用，如果凸顯這些基因的優(yōu)勢、對水稻進(jìn)行有針對性的雜交育種，則產(chǎn)生的新品種就可以很大程度上解決或防范稻瘟病的問題。”李毅介紹道，“但是‘推彼及此’，在水稻病毒病的研究中我們并沒有找到同樣有效的抗病毒基因。這引起了我們的思考，為什么水稻基因組里面沒有找到抗病毒的基因？水稻抗病毒與抗真菌的機(jī)制有什么不同？”從這些問題入手，李毅團(tuán)隊將目光投向了水稻抗病毒相關(guān)機(jī)制和重要通路的發(fā)掘研究。

李毅作為分會主席和報告人參加國際“分子植物-微生物相互作用”學(xué)術(shù)會議

在數(shù)年如一日的科研工作中，李毅團(tuán)隊系統(tǒng)地解析了重要植物激素——生長素、赤霉素和乙烯等在病毒侵染后產(chǎn)生病害的分子機(jī)理，填補(bǔ)了病毒侵染作物后產(chǎn)生病害機(jī)理認(rèn)知方面的空白，取得了一系列具有代表性的創(chuàng)新理論成果。在生長素和赤霉素相關(guān)研究中，針對病毒侵染導(dǎo)致的水稻矮化問題，團(tuán)隊在發(fā)現(xiàn)“病毒侵染后其外殼蛋白P2與水稻赤霉素合成關(guān)鍵酶——貝殼杉烯氧化酶結(jié)合，從而抑制其活性導(dǎo)致赤霉素合成減少，并造成拔節(jié)受阻、不能抽穗而影響產(chǎn)量，適時外施赤霉素可以恢復(fù)其高度”和“外殼蛋白P2可與生長素共受體（IAA10）結(jié)合阻礙這個蛋白的降解和下游轉(zhuǎn)錄因子的轉(zhuǎn)錄，抑制了植物的生長和抗病性”等具體情況后，他們以水稻矮縮病毒（RDV）為模式，探明了病毒抑制赤霉素和生長素信號通路導(dǎo)致寄主矮化病癥的分子機(jī)制，詮釋了困惑植物病毒學(xué)界近半個世紀(jì)的科學(xué)難題；而在乙烯相關(guān)研究中，李毅基于“病毒侵染后水稻的乙烯合成顯著提高，更有利于病毒的后續(xù)侵染”的現(xiàn)象展開研究，發(fā)現(xiàn)病毒Pns11蛋白會激活甲基合酶的活性，從而使被感染組織中甲基含量顯著升高，進(jìn)而引起乙烯前體和乙烯含量升高，使水稻更易感病毒。這一關(guān)于乙烯負(fù)調(diào)控水稻對病毒抗性的分子機(jī)理的首創(chuàng)性理論成果，也在后續(xù)“乙烯信號通路基因突變體均表現(xiàn)抗病”的發(fā)現(xiàn)中得以印證。

以點(diǎn)帶面，李毅團(tuán)隊進(jìn)一步闡明了植物呼腸孤病毒克服宿主抗病毒R N A干擾（RNAi）的機(jī)制，以及病毒的體內(nèi)組裝和細(xì)胞間轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制。據(jù)了解，水稻矮縮病毒是植物呼腸孤病毒的代表，在相關(guān)研究中，李毅團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了水稻矮縮病毒Pns10阻礙宿主R N A干擾信號的傳導(dǎo)和感知來抑制寄主R N A干擾通路，且水稻矮縮病毒粒子在水稻細(xì)胞中僅依賴其外殼蛋白P8和核心蛋白P3，不需要其他基因組即可組裝成具有雙層外殼的粒子；而Pns6則是細(xì)胞間轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，定位于水稻胞間連絲，可幫助病毒轉(zhuǎn)運(yùn)至未被侵染的相鄰細(xì)胞以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)侵染。相關(guān)研究成果多次被發(fā)表于《病毒學(xué)雜志》（J.Virol）并被選為當(dāng)期亮點(diǎn)論文之一。

李毅（左五）參加老中青三代植物病毒學(xué)科研人學(xué)術(shù)交流

與此同時，李毅還特別強(qiáng)調(diào)了昆蟲這一傳播途徑對于水稻病毒病研究的重要意義?！八静《静』径际峭ㄟ^昆蟲傳播的，這也使得病毒病呈現(xiàn)出明顯的跨季節(jié)、跨地區(qū)等特征。從這個意義出發(fā)，搞清楚昆蟲和病毒之間的‘關(guān)系’、厘清病毒是如何進(jìn)入昆蟲細(xì)胞并經(jīng)由帶毒雌蟲傳播到下一代就顯得尤為重要?！本痛?，李毅團(tuán)隊創(chuàng)造性地開展了媒介昆蟲與病毒相互作用的研究，發(fā)現(xiàn)水稻矮縮病毒外殼蛋白P2具有膜融合功能，可使病毒進(jìn)入葉蟬細(xì)胞，并從侵染點(diǎn)進(jìn)入相鄰細(xì)胞；此外，P2蛋白還與葉蟬體內(nèi)共生菌外膜蛋白結(jié)合，并被共生菌帶入卵母細(xì)胞，經(jīng)卵傳給其下一代。這一發(fā)現(xiàn)成功揭示了媒介葉蟬傳播水稻矮縮病毒的分子機(jī)制，為后續(xù)研究打下了堅實(shí)的理論基礎(chǔ)。

引領(lǐng)前沿——探明禾本科作物抗病毒分子機(jī)制

在水稻抗病毒的研究領(lǐng)域奔忙近30年，李毅團(tuán)隊已經(jīng)形成了對于水稻抗病毒機(jī)制的系統(tǒng)理解——在抵抗病毒侵染的過程中，以水稻為代表的禾本科作物表現(xiàn)出“協(xié)同作戰(zhàn)”的特征。而他們要做的，就是找到并闡明這些通路作用的機(jī)制，在回答了“病毒侵染如何產(chǎn)生病害？”和“昆蟲媒介如何傳播病毒？”問題的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步回答“作物如何抵抗病毒侵染？其分子機(jī)制是什么？”等關(guān)鍵問題。

茉莉酸，是李毅團(tuán)隊在解答相關(guān)問題路上“結(jié)識”的首個要素。據(jù)介紹，水稻條紋病毒等多個病毒侵染水稻后，茉莉酸合成和信號通路將“啟動”基因表達(dá)，使茉莉酸顯著積累并使這一通路的負(fù)調(diào)控因子被降解，核心轉(zhuǎn)錄因子（JAMYB）旋即啟動RNA干擾核心因子（AGO18）基因表達(dá)，A G O18蛋白競爭結(jié)合內(nèi)源小RNA（miR168和miR528），使其不能進(jìn)入A G O1蛋白復(fù)合體切割它們的靶基因A G O1和抗壞血酸氧化酶（A O）。隨后，被保護(hù)的AGO1蛋白結(jié)合病毒來源的小R N A，組裝成基因沉默復(fù)合體沉默病毒基因發(fā)揮抗病毒功能；A O蛋白則通過提高細(xì)胞間隙和細(xì)胞質(zhì)中的活性氧水平抑制病毒侵染，增強(qiáng)水稻抗病毒功能。通過將茉莉酸和R N A干擾兩個相互獨(dú)立的通路串聯(lián)起來，團(tuán)隊首次揭示了抗病毒R N A干擾在轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控機(jī)制，并為理解其他生物抗病毒R N A干擾的轉(zhuǎn)錄調(diào)控提供了指導(dǎo)價值。相關(guān)研究成果發(fā)表在《細(xì)胞-宿主和微生物》（Cell Host &Microbe）上，并于當(dāng)年獲評此刊年度最佳6篇研究論文之一?；贏GO18具有的廣譜抗病毒特性，相關(guān)成果也已作為分子標(biāo)記應(yīng)用于我國的水稻育種工作中。

同時，李毅團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了生長素對于提高水稻對病毒抗性具有顯著效果。這是由于生長素的分子機(jī)制是其將共受體TIR1和IAA10結(jié)合在一起后，TIR1泛素化I A A10并將其通過26S蛋白酶體途徑降解，原來被IAA10抑制的生長素響應(yīng)因子ARF12/16隨之啟動表達(dá)，并通過增強(qiáng)活性氧生成基因的表達(dá)提高活性氧水平，從而達(dá)到抑制病毒侵染的目的。

此外，李毅團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)了水稻抗病毒過程中的另一個重要“參與者”——泛素蛋白酶體降解途徑。從先前的研究成果中，團(tuán)隊已經(jīng)了解水稻矮縮病毒外殼蛋白P2會抑制生長素和赤霉素信號通路參與病害產(chǎn)生，而水稻編碼的泛素連接酶（RFPH2，E3）則可以特異降解P2蛋白，增強(qiáng)了水稻侵染初期寄主對病毒的抗性。

除了“內(nèi)部因素”，也有一些“外部因素”參與到水稻抵抗植物病毒的戰(zhàn)斗過程中。在發(fā)現(xiàn)以硫酸銅為主要成分的波爾多液在植物真菌病防治層面的顯著效果后，李毅敏銳地發(fā)起了提問：在響應(yīng)病毒侵染并對病毒病害的防治方面，銅元素是否可以發(fā)揮同樣的作用？從數(shù)據(jù)入手，他們發(fā)現(xiàn)大約三分之一響應(yīng)銅處理的差異表達(dá)基因也會被水稻條紋病毒（RSV）侵染所調(diào)控，其中一些銅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白（COPT）和銅結(jié)合蛋白（H M A）的表達(dá)在病毒侵染后被顯著誘導(dǎo)。這意味著，銅元素在水稻與水稻條紋病毒相互作用的過程中可能發(fā)揮著重要的作用。

為了探究銅元素、水稻與水稻條紋病毒三者的關(guān)系，團(tuán)隊以水稻條紋病毒侵染后野生型水稻日本晴（NPB）為樣本，就其地上部分和地下部分的銅離子含量進(jìn)行了測量，結(jié)果證明病毒侵染會導(dǎo)致水稻根部銅元素向葉和莖部轉(zhuǎn)運(yùn)，細(xì)胞間隙的銅元素會進(jìn)一步向細(xì)胞內(nèi)運(yùn)輸，從而導(dǎo)致細(xì)胞間積累的銅元素含量減少。從這一現(xiàn)象出發(fā)，李毅用水稻矮縮病毒和水稻條紋病毒分別接種銅轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白HMA5突變體和野生型水稻N P B，結(jié)果證實(shí)H M A5正調(diào)控水稻對水稻矮縮病毒和水稻條紋病毒的抗性，外源施加一定濃度的硫酸銅能夠增強(qiáng)水稻的抗病毒能力。換言之，銅元素有利于水稻的抗病毒反應(yīng)，且隨著水稻體內(nèi)銅離子濃度的升高，調(diào)控銅相關(guān)的重要轉(zhuǎn)錄因子S P L9蛋白水平會隨之下降，從而使其調(diào)控的m i R528表達(dá)下調(diào)，進(jìn)而導(dǎo)致其靶基因抗壞血酸氧化酶（A O）含量升高、活性氧（ROS）水平上調(diào)，從而發(fā)揮出抗病毒的作用。此外，OsSPL9在受到銅離子調(diào)控的同時，也對銅離子的積累有著正調(diào)控作用，二者之間存在反饋調(diào)節(jié)，共同維持水稻體內(nèi)的銅含量處于動態(tài)平衡狀態(tài)。

由表及里、由內(nèi)而外，李毅的一系列研究成果得到了國內(nèi)外專家的一致認(rèn)可和贊賞。國際知名病毒學(xué)家、美國加州大學(xué)丁守偉教授坦言“對于動物和植物抗病毒R N A干擾核心因子的轉(zhuǎn)錄調(diào)控了解得非常少，李毅的成果提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，表明了在植物中茉莉酸信號通路調(diào)控抗病毒R N A干擾”；英國劍橋大學(xué)教授、英國皇家科學(xué)院會士、美國科學(xué)院外籍院士、植物干涉小R N A最早發(fā)現(xiàn)者大衛(wèi)·巴爾科姆（David Balcombe）爵士在其綜述中寫道：“這篇文章很好地說明了植物防御系統(tǒng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)——RNA沉默是不同系統(tǒng)的重要效應(yīng)機(jī)制和集成器”；美國斯坦福大學(xué)知名發(fā)育生物學(xué)教授沃爾伯特（Walbot）稱“這是第一篇展示A G O18重要性和功能的文章，非常有意義”。此外，美國丹佛植物科學(xué)中心主席、美國科學(xué)院院士卡林頓（Jim Carrington）教授，國際知名小RNA領(lǐng)域?qū)＜?、加州大學(xué)陳雪梅院士及金海翎教授等專家學(xué)者也先后于其刊發(fā)文章中采用了李毅團(tuán)隊的AGO18抗病毒模型，并大篇幅引用了相關(guān)文章。

李毅實(shí)驗室學(xué)生畢業(yè)照

得見世界之大，更思立足當(dāng)下。這是李毅在德國攻讀博士期間的感悟，也是促使他將普適性研究落實(shí)到我國這一具體場景中的動力所在。通過與福建農(nóng)林大學(xué)、福建農(nóng)科院和中國農(nóng)科院水稻研究所和作物科學(xué)研究所等高校及研究院所的聯(lián)合攻關(guān)，李毅團(tuán)隊歷時6年、踏足多地，揭示了目前我國主栽水稻品種普遍易感的3種重要水稻病毒——南方水稻黑條矮縮病毒（S R B S D V）、水稻黑條矮縮病毒（RBSDV）和水稻瘤矮病毒（RGDV）。據(jù)介紹，目前我國培育的水稻種質(zhì)對這3種水稻病毒均不具有廣譜抗性，一旦這些水稻病毒暴發(fā)，將會造成水稻嚴(yán)重減產(chǎn)，威脅糧食安全。就此，李毅將植物病毒致病、傳播和作物抗病毒機(jī)制展開研究看作“萬里長征第一步”，而為相關(guān)研究培養(yǎng)新鮮血液、將研究成果“寫到大地上”，則是他持續(xù)思索和發(fā)力的新方向。

桃李不言——成功的教育是青出于藍(lán)

李毅是一個善于發(fā)問的人，這個習(xí)慣同樣出現(xiàn)于他教學(xué)的過程中。“你們以什么樣的名義在北大學(xué)習(xí)？”這是他經(jīng)常向?qū)W生提出的問題。幼年時家人對他的鞭策、求學(xué)過程中師長的幫助、自身對知識的向往和“擇一事、終一生”的赤誠，共同夯實(shí)了他成長奮進(jìn)的長路，也成為他直面挫折、踔厲奮進(jìn)的動力來源。“做科學(xué)研究，失敗是常事。面對失敗，要有面對和反思的勇氣，也要在失敗中找到新的發(fā)力角度和起點(diǎn)?！崩钜闳缡钦f道，“家人、朋友、師長和同事的支持會催生出勇氣和決心，讓我們面對困難時不放棄、不氣餒，而我們的努力也將給支持我們的人以鼓舞。正視問題、扛起責(zé)任，從失敗中汲取靈感的火花，這就是學(xué)習(xí)的意義。”

李毅（中）在作物病毒病害田間進(jìn)行考察

培養(yǎng)良好的心理素質(zhì)，是李毅教給學(xué)生的第一課。與此同時，熟悉多種球類運(yùn)動的他也同樣重視學(xué)生身體素質(zhì)的訓(xùn)練?！翱茖W(xué)研究是一條長路，需要健康的體魄、充足的體力予以支撐，所以我經(jīng)常鼓勵學(xué)生要鍛煉身體?！倍鴮τ趯W(xué)生的深切關(guān)注和“為之計深遠(yuǎn)”的思索，也就這樣點(diǎn)滴融入了他與學(xué)生的相處過程中。

“關(guān)心學(xué)生的生活，關(guān)心他們的科研?！崩钜闶沁@么說的，也是這么做的。從基本的技術(shù)方法到團(tuán)隊的合作方式，甚至科研成果要以怎樣的形式呈現(xiàn)、如何講述自己的成果、如何與相關(guān)專家就研究成果進(jìn)行交流，一切與學(xué)生成長有關(guān)的細(xì)節(jié)他都一一悉心傳授。為了幫助學(xué)生觸達(dá)更寬廣的科研世界，他經(jīng)常組織各層級的合作交流活動，讓學(xué)生在這個過程中查漏補(bǔ)缺、收獲靈感、發(fā)掘科研興趣所在，是他最感快慰的時刻。“在我看來，學(xué)生畢業(yè)后，過若干年他（她）必須超過我，學(xué)生要是沒超過我就是我的失敗?！崩钜阏f道，“在科研中要有開放的心態(tài)，在教育中也要有。學(xué)生比我強(qiáng)，是我最樂意看到的事。唯有一代更比一代強(qiáng)，我們的科學(xué)才能進(jìn)步、社會才能發(fā)展?！蹦壳?，李毅已累計培養(yǎng)近80名碩士、博士研究生及博士后，其中有近20人已獲得國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)的正（副）教授職稱，多人獲得國家杰出青年基金、國家優(yōu)秀青年基金及海外高端青年人才的資助，他們也正如李毅所期待的那樣，逐步成為其所在崗位的中堅力量，在各自的研發(fā)領(lǐng)域發(fā)揮著自己的光和熱。

“總有干不完的事情，寫不完的論文、報告，還有編書和各項評審工作……”歲月無聲走過，如今的李毅依舊過得忙碌而充實(shí)。談及未來，這位先后主持了“973”項目、“863”項目、自然科學(xué)基金委重大項目和重點(diǎn)研發(fā)項目等30余項，所撰教材多次獲得教育部和出版總署科技進(jìn)步獎的學(xué)科帶頭人依然滿懷激情?！暗搅爽F(xiàn)在這個年紀(jì)，要看得遠(yuǎn)一點(diǎn)，為國家、人民和學(xué)科的發(fā)展，做一些更有用的、更重要的事，可能也是更未知的事。無論是我們的國家還是我所在的病毒學(xué)研究領(lǐng)域，都是在這樣攻堅克難的過程中發(fā)展壯大起來的。作為這一過程的親歷者、見證者和參與者，我將繼續(xù)投身科研工作和教書育人，為中國病毒學(xué)研究及應(yīng)用更加輝煌的明天獻(xiàn)出力量?！?/p>