近日，植物学领域顶尖学术期刊The Plant Cell发表了宁波大学植物病毒学研究所吴健副研究员的最新研究成果——“Cell-cell communication and initial population composition shape the structure of potato spindle tuber viroid quasispecies”。研究首次揭示细胞间交流和初始的序列构成是类病毒准种进化的关键限制因素，暗示着通过调节细胞间RNA运输通道和改变其初始序列构成或可改变类病毒的进化方向。
RNA病毒和类病毒以极高的突变率进行复制，是以准种、即一系列遗传相关的序列群体的形式存在。为分析马铃薯纺锤块茎类病毒（PSTVd）的de novo突变率，吴健副研究员前期开发出一套在无筛选压力的情况下分析了PSTVd突变体积累的新技术，并最终确认PSTVd每复制2.5个基因组就会产生1个突变（PLoS Pathogens, 2020）。照此突变率推测，以一个序列起始，经过有限的复制次数绝大多数的后代都会是突变体。然而分析类病毒的序列发现，准种中稳定存在一个占比在90%左右的master序列，其余的突变体只占10%左右。是什么因素限制了类病毒准种序列的进化尚不清楚。
在前期工作中，已经研究发现，胞间连丝可以识别PSTVd的RNA 3D结构控制其从表皮细胞到叶肉细胞的单向运输（PLOS Pathogens, 2019), 而PSTVd自束鞘细胞进入韧皮部的单向运输则受到两个GU配对的调控（Nucleic Acids Research, 2020）。有意思的是，烟草花叶病毒的运动蛋白可以部分取代PSTVd 的RNA 3D结构的功能协助其细胞间运动（PLoS Pathogens, 2022）。这些结果暗示RNA 3D结构是调控PSTVd细胞间运动的关键因子，也暗示病毒和类病毒有共同的进化祖先。但是RNA 3D结构对PSTVd准种序列结构进化的影响尚未可知。
在此基础上，该项研究探究了细胞间运输对PSTVd准种进化的影响。研究发现成熟的保卫细胞中PSTVd准种的突变体较多。成熟的保卫细胞无胞间连丝与其它细胞连接，处于一种共生隔离的状态。同时分离PSTVd侵染的植物的叶肉细胞离体培养发现，随着培养时间的延长突变体比例显著增加。这两个实验证据证明细胞间交流可以限制PSTVd的准种进化。研究还发现发现植物细胞可以被PSTVd反复侵染，暗示不同的突变体可以同时存在于一个细胞中，进而相互影响。随后分离出了PSTVd准种中12个常见的变种，并与野生型以不同比例进行侵染实验，结果发现当起始序列构成中存在一个master序列（占据一半以上的序列空间）的时候，其后代的序列空间会稳定的存在一个master序列占据90%左右的空间；而起始序列构成中不存在一个master序列的时候，后代序列空间的突变体大大增多。这说明master序列的存在也是抑制PSTVd准种序列进化的关键因素。在另一项背靠背的研究中，首次证明了RNA 3D结构可以引导PSTVd准种序列的构成，即能形成类似于野生型3D结构的突变体更容易在PSTVd准种中被保存（PLOS Pathogens, 2024）。研究工作为研究病毒和类病毒的准种进化提供了新的思路，也为预测新的病毒和类病毒的致病毒株提供了一种可行的方案。
此项工作中，宁波大学省部共建农产品质量安全危害因子与风险防控国家重点实验室、植物病毒学研究所吴健副研究员为论文第一作者和共同通讯作者。
论文链接: https://academic.oup.com/plcell/article-abstract/36/4/1036/7584959
参考文献:
Wu, J., Leontis, N. B., Zirbel, C. L., Bisaro, D. M., & Ding, B. (2019). A three-dimensional RNA motif mediates directional trafficking of Potato spindle tuber viroid from epidermal to palisade mesophyll cells in Nicotiana benthamiana. PLoS Pathogens, 15(10), e1008147.
Wu, J., Zhou, C., Li, J., Li, C., Tao, X., Leontis, N. B., Zirbel, C.L., Bisaro, D.M., & Ding, B. (2020). Functional analysis reveals G/U pairs critical for replication and trafficking of an infectious non-coding viroid RNA. Nucleic acids research, 48(6), 3134-3155.
Wu, J., & Bisaro, D. M. (2020). Biased Pol II fidelity contributes to conservation of functional domains in the Potato spindle tuber viroid genome. PLoS pathogens, 16(12), e1009144.
Wu, J., & Bisaro, D. M. (2022). Tobacco mosaic virus movement protein complements a Potato spindle tuber viroid RNA mutant impaired for mesophyll entry but not mutants unable to enter the phloem. PLoS Pathogens, 18(12), e1011062.
Wu, J., & Bisaro, D. M. (2024). Cell-cell communication and initial population composition shape the structure of potato spindle tuber viroid quasispecies. The Plant Cell, koae012.
Wu, J., Zhang, Y., Nie, Y., Yan, F., Zirbel, C. L., & Bisaro, D. M. (2024). RNA three-dimensional structure drives the sequence organization of potato spindle tuber viroid quasispecies. PLoS Pathogens, 20(4), e1012142.
