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馬鈴薯 Y 病毒屬（Potyvirus），是一類嚴(yán)重影響植物生長生產(chǎn)的植物病毒屬，有數(shù)百個種，包括大豆花葉病毒（SMV）、三葉草黃脈病毒（CIYVV）、蕪菁花葉病毒（TuMV）deng 等。植物中的翻譯起始因子4E是對馬鈴薯Y病毒屬敏感的一個小家族。當(dāng)作物中編碼eIF4E蛋白的天然抗性等位基因缺失時，敲除這些4E家族基因，可以賦予作物遺傳抗性。eIF4E1是4E家族中一個對CIYVV敏感的翻譯起始因子，本研究探討了利用敲除eIF4E1對擬南芥的病毒抗性的雙重影響.
研究結(jié)果表明，敲除eIF4E1后，對CIYVV敏感的植株對三葉草黃脈病毒（ClYVV）表現(xiàn)出抗性，但對蕪菁花葉病毒（TuMV）的敏感性顯著增強(qiáng)。而通過CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)構(gòu)建功能抗性等位基因eIF4E1可避免對TuMV的超敏反應(yīng)，同時保留對ClYVV的抗性。研究提示，基因敲除策略可能因病毒利用其他同源因子而存在風(fēng)險，而模擬天然抗性等位基因是更安全有效的策略。
FluorCam多光譜熒光成像系統(tǒng)，除了具備葉綠素?zé)晒獬上?，可以檢測植物光合活性以外，還具備多光譜熒光成像功能，比如FPs熒光蛋白成像、UV-MCF紫外激發(fā)多光譜熒光成像等。在這項研究中，F(xiàn)luorCam便承擔(dān)了檢測在病毒侵染下不同基因型擬南芥的衰老、追蹤GFP標(biāo)記病毒分布及量化的雙重角色。
易科泰提供全面多樣的葉綠素?zé)晒?多光譜熒光測量和成像技術(shù)：
使用帶GFP標(biāo)記的TuMV（TuMV-GFP UK1）感染三個基因型的擬南芥，分別為野生型WT；敲除eIF4E1對CIYVV具抗性的基因型（eif4e1KO）；敲除eIFiso4E對TuMV具抗性的基因型（eifiso4eKO）。使用FluorCam檢測感染14天、21天之后擬南芥葉綠素?zé)晒庾兓ū碚魅~片衰老情況）及GFP表達(dá)情況（即TuMV病毒積累程度）。從結(jié)果可知，eifiso4eKO因其具備的病毒抗性，而無明顯的病毒侵染，性狀和葉綠素?zé)晒馑綗o明顯變化，而eif4e1KO的GFP信號更強(qiáng)，說明其病毒積累更多，葉綠素?zé)晒獬上窠Y(jié)果也顯示，其感染癥狀比野生型更為明顯，表現(xiàn)為更嚴(yán)重早衰（葉綠素?zé)晒庀陆担?、新葉發(fā)育停滯。
野生型與兩個基因敲除擬南芥植株感染TuMV-GFP UK1病毒14天、21天后的葉綠素?zé)晒?、GFP熒光蛋白成像結(jié)果
為了確認(rèn)eif4e1KO對TuMV易感是否由eIF4E1缺失有關(guān)，通過構(gòu)建了兩個互補(bǔ)系eif4e1KO;eIF4E1-1和eif4e1KO;eIF4E1-2，在感染TuMV-GFP UK1后，于17天后，分析了它們的表型。FluorCam成像結(jié)果表明，eif4e1KO;eIF4E1-1和eif4e1KO;eIF4E1-2的病毒易感性表現(xiàn)恢復(fù)到了與野生型相似水平，比eif4e1KO具有更高的TuMV抗性，證明了eIF4E1的敲除缺失是eif4e1KO突變體易感性和病毒積累增加的唯一原因。
左圖：野生型與兩個互補(bǔ)恢復(fù)系植株感染病毒17天后的葉綠素?zé)晒狻FP熒光蛋白成像結(jié)果；
右圖：野生型與兩個基因編輯植株感染病毒17天后的葉綠素?zé)晒?、GFP熒光蛋白成像結(jié)果
研究中，模擬豌豆eIF4E等位基因中與抗馬鈴薯病毒屬相關(guān)的自然突變基因，通過基因編輯的方法獲得非轉(zhuǎn)基因的eIF4E1N176K植株，侵染實驗的結(jié)果證明，該基因編輯株對TuMV無超敏反應(yīng)，且保留對ClYVV的抗性。
結(jié)合研究中的其他實驗結(jié)果，得出結(jié)論，敲除eIF4E1雖賦予植株ClYVV的抗性，但卻引發(fā)了對TuMV的過度敏感。CRISPR/Cas9基因編輯技術(shù)模擬天然抗性等位基因是更優(yōu)策略，既可維持抗性，又避免對其他病毒的易感性。研究強(qiáng)調(diào)基因敲除抗性育種存在潛在風(fēng)險，而功能性等位基因編輯更具應(yīng)用前景。
作為研究中的主要檢測手段，F(xiàn)luorCam提供了多方面的數(shù)據(jù)支撐。葉綠素?zé)晒獬上窠Y(jié)果體現(xiàn)了葉綠素?zé)晒鈴?qiáng)度變化量化葉片衰老進(jìn)程，直觀反映病毒感染引發(fā)的早衰現(xiàn)象，從而反映葉片衰老。得力于系統(tǒng)非侵入性檢測的優(yōu)點，可以實現(xiàn)實時追蹤植株生理狀態(tài)，避免傳統(tǒng)取樣對實驗的干擾和珍貴樣品的破壞。而系統(tǒng)具備的GFP熒光蛋白檢測則為可視化病毒分布、量化病毒積累提供、動態(tài)監(jiān)測感染不同階段病毒與宿主互作的時序性變化提供了可靠數(shù)據(jù)。FluorCam兼具的兩項技術(shù)共同為擬南芥抗病毒分子生物學(xué)研究提供了高效、直觀的表型和分子水平分析工具。
參考文獻(xiàn)：
Zafirov, Delyan, et al. "When a knockout is an Achilles’ heel: Resistance to one potyvirus species triggers hypersusceptibility to another one in Arabidopsis thaliana."Molecular Plant Pathology, 22.3 (2021): 334-347.
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