阻击植物病毒的“幕后先锋”——记北京大学生命科学学院教授李毅

唐慧乔 王 辉

相较于寄生在如人体、家禽、家畜等生命体内的动物病毒，植物病毒的“存在感”似乎并不明显。然而，由于植物占地球生物量的80%以上，植物病毒对地球生态系统产生的影响远大于其他病害，且它对粮食作物和观赏植物的影响尤为明显，一系列植物病毒会造成全球每年约600亿美元的经济损失。

目前，由虫媒传播的作物病毒病害已成为全球作物生产的重大威胁，并深深困扰着育种等领域内的专家和从业者。早在20世纪初，研究者即发现叶蝉可以传播水稻矮缩病，然而多年来相关研究多集中于对“现象”的分析，但“病毒侵染如何产生病害？昆虫媒介如何传播病毒？作物抵抗病毒的机制是怎样的？”等问题尚无定论。抱持“知其然、知其所以然”的求是心态，北京大学生命科学学院生物技术系教授李毅聚焦禾本科作物的两个重要致病病毒——叶蝉和灰飞虱传播的水稻矮缩和条纹病毒，积极探究其病毒致病、传播和作物抗病毒机制等重大科学问题，为我国在禾本科作物病毒研究领域从跟跑到领跑的有力转变提供了坚实支撑。奋骥30余年，他依旧奋斗在科研一线，不知寒暑与朝暮。

赤子初心——一场叩源推委的科学追问

很小的时候，出身农村的李毅就在乡邻的言传身教里习得了一部分关于作物种植的技巧；而这段经历，也为他日后机缘巧合地进入西北农林科技大学农学专业埋下了伏笔。待到上大学时，以自身经历为基础，李毅与农学的“初次接触”可谓顺利。但他很快意识到，农学研究仅凭口耳相传的经验是远远不够的，这一情况在农作物病害的相关研究领域尤为明显。

在很长的一段时间里，植物病毒相关研究一度是鲜有人涉足的空白区，而对病害机制研究的缺位无疑会让病害预防和对策制定陷于被动，也极大地限制了后续研究向纵深发展的可能。“我国关于水稻的研究不胜枚举，但是对水稻病毒病的研究却一度进程迟缓。”自1992年入职北京大学生命科学学院以来，李毅就下定决心将植物病毒作为切入点，以水稻等禾本植物为主要研究对象，就其病害成因、机制等内容展开攻关。

然而科研之路从来不是一帆风顺的。“水稻的稻瘟病是由稻瘟病原菌引起的。在研究过程中，我国科学工作者发现经典激酶受体（NLR）类基因在抗稻瘟病中发挥重要作用，如果凸显这些基因的优势、对水稻进行有针对性的杂交育种，则产生的新品种就可以很大程度上解决或防范稻瘟病的问题。”李毅介绍道，“但是‘推彼及此’，在水稻病毒病的研究中我们并没有找到同样有效的抗病毒基因。这引起了我们的思考，为什么水稻基因组里面没有找到抗病毒的基因？水稻抗病毒与抗真菌的机制有什么不同？”从这些问题入手，李毅团队将目光投向了水稻抗病毒相关机制和重要通路的发掘研究。

李毅作为分会主席和报告人参加国际“分子植物-微生物相互作用”学术会议

在数年如一日的科研工作中，李毅团队系统地解析了重要植物激素——生长素、赤霉素和乙烯等在病毒侵染后产生病害的分子机理，填补了病毒侵染作物后产生病害机理认知方面的空白，取得了一系列具有代表性的创新理论成果。在生长素和赤霉素相关研究中，针对病毒侵染导致的水稻矮化问题，团队在发现“病毒侵染后其外壳蛋白P2与水稻赤霉素合成关键酶——贝壳杉烯氧化酶结合，从而抑制其活性导致赤霉素合成减少，并造成拔节受阻、不能抽穗而影响产量，适时外施赤霉素可以恢复其高度”和“外壳蛋白P2可与生长素共受体（IAA10）结合阻碍这个蛋白的降解和下游转录因子的转录，抑制了植物的生长和抗病性”等具体情况后，他们以水稻矮缩病毒（RDV）为模式，探明了病毒抑制赤霉素和生长素信号通路导致寄主矮化病症的分子机制，诠释了困惑植物病毒学界近半个世纪的科学难题；而在乙烯相关研究中，李毅基于“病毒侵染后水稻的乙烯合成显著提高，更有利于病毒的后续侵染”的现象展开研究，发现病毒Pns11蛋白会激活甲基合酶的活性，从而使被感染组织中甲基含量显著升高，进而引起乙烯前体和乙烯含量升高，使水稻更易感病毒。这一关于乙烯负调控水稻对病毒抗性的分子机理的首创性理论成果，也在后续“乙烯信号通路基因突变体均表现抗病”的发现中得以印证。

以点带面，李毅团队进一步阐明了植物呼肠孤病毒克服宿主抗病毒R N A干扰（RNAi）的机制，以及病毒的体内组装和细胞间转运机制。据了解，水稻矮缩病毒是植物呼肠孤病毒的代表，在相关研究中，李毅团队发现了水稻矮缩病毒Pns10阻碍宿主R N A干扰信号的传导和感知来抑制寄主R N A干扰通路，且水稻矮缩病毒粒子在水稻细胞中仅依赖其外壳蛋白P8和核心蛋白P3，不需要其他基因组即可组装成具有双层外壳的粒子；而Pns6则是细胞间转运蛋白，定位于水稻胞间连丝，可帮助病毒转运至未被侵染的相邻细胞以实现系统侵染。相关研究成果多次被发表于《病毒学杂志》（J.Virol）并被选为当期亮点论文之一。

李毅（左五）参加老中青三代植物病毒学科研人学术交流

与此同时，李毅还特别强调了昆虫这一传播途径对于水稻病毒病研究的重要意义。“水稻病毒病基本都是通过昆虫传播的，这也使得病毒病呈现出明显的跨季节、跨地区等特征。从这个意义出发，搞清楚昆虫和病毒之间的‘关系’、厘清病毒是如何进入昆虫细胞并经由带毒雌虫传播到下一代就显得尤为重要。”就此，李毅团队创造性地开展了媒介昆虫与病毒相互作用的研究，发现水稻矮缩病毒外壳蛋白P2具有膜融合功能，可使病毒进入叶蝉细胞，并从侵染点进入相邻细胞；此外，P2蛋白还与叶蝉体内共生菌外膜蛋白结合，并被共生菌带入卵母细胞，经卵传给其下一代。这一发现成功揭示了媒介叶蝉传播水稻矮缩病毒的分子机制，为后续研究打下了坚实的理论基础。

引领前沿——探明禾本科作物抗病毒分子机制

在水稻抗病毒的研究领域奔忙近30年，李毅团队已经形成了对于水稻抗病毒机制的系统理解——在抵抗病毒侵染的过程中，以水稻为代表的禾本科作物表现出“协同作战”的特征。而他们要做的，就是找到并阐明这些通路作用的机制，在回答了“病毒侵染如何产生病害？”和“昆虫媒介如何传播病毒？”问题的基础上，进一步回答“作物如何抵抗病毒侵染？其分子机制是什么？”等关键问题。

茉莉酸，是李毅团队在解答相关问题路上“结识”的首个要素。据介绍，水稻条纹病毒等多个病毒侵染水稻后，茉莉酸合成和信号通路将“启动”基因表达，使茉莉酸显著积累并使这一通路的负调控因子被降解，核心转录因子（JAMYB）旋即启动RNA干扰核心因子（AGO18）基因表达，A G O18蛋白竞争结合内源小RNA（miR168和miR528），使其不能进入A G O1蛋白复合体切割它们的靶基因A G O1和抗坏血酸氧化酶（A O）。随后，被保护的AGO1蛋白结合病毒来源的小R N A，组装成基因沉默复合体沉默病毒基因发挥抗病毒功能；A O蛋白则通过提高细胞间隙和细胞质中的活性氧水平抑制病毒侵染，增强水稻抗病毒功能。通过将茉莉酸和R N A干扰两个相互独立的通路串联起来，团队首次揭示了抗病毒R N A干扰在转录水平的调控机制，并为理解其他生物抗病毒R N A干扰的转录调控提供了指导价值。相关研究成果发表在《细胞-宿主和微生物》（Cell Host &Microbe）上，并于当年获评此刊年度最佳6篇研究论文之一。基于AGO18具有的广谱抗病毒特性，相关成果也已作为分子标记应用于我国的水稻育种工作中。

同时，李毅团队发现了生长素对于提高水稻对病毒抗性具有显著效果。这是由于生长素的分子机制是其将共受体TIR1和IAA10结合在一起后，TIR1泛素化I A A10并将其通过26S蛋白酶体途径降解，原来被IAA10抑制的生长素响应因子ARF12/16随之启动表达，并通过增强活性氧生成基因的表达提高活性氧水平，从而达到抑制病毒侵染的目的。

此外，李毅团队还发现了水稻抗病毒过程中的另一个重要“参与者”——泛素蛋白酶体降解途径。从先前的研究成果中，团队已经了解水稻矮缩病毒外壳蛋白P2会抑制生长素和赤霉素信号通路参与病害产生，而水稻编码的泛素连接酶（RFPH2，E3）则可以特异降解P2蛋白，增强了水稻侵染初期寄主对病毒的抗性。

除了“内部因素”，也有一些“外部因素”参与到水稻抵抗植物病毒的战斗过程中。在发现以硫酸铜为主要成分的波尔多液在植物真菌病防治层面的显著效果后，李毅敏锐地发起了提问：在响应病毒侵染并对病毒病害的防治方面，铜元素是否可以发挥同样的作用？从数据入手，他们发现大约三分之一响应铜处理的差异表达基因也会被水稻条纹病毒（RSV）侵染所调控，其中一些铜转运蛋白（COPT）和铜结合蛋白（H M A）的表达在病毒侵染后被显著诱导。这意味着，铜元素在水稻与水稻条纹病毒相互作用的过程中可能发挥着重要的作用。

为了探究铜元素、水稻与水稻条纹病毒三者的关系，团队以水稻条纹病毒侵染后野生型水稻日本晴（NPB）为样本，就其地上部分和地下部分的铜离子含量进行了测量，结果证明病毒侵染会导致水稻根部铜元素向叶和茎部转运，细胞间隙的铜元素会进一步向细胞内运输，从而导致细胞间积累的铜元素含量减少。从这一现象出发，李毅用水稻矮缩病毒和水稻条纹病毒分别接种铜转运蛋白HMA5突变体和野生型水稻N P B，结果证实H M A5正调控水稻对水稻矮缩病毒和水稻条纹病毒的抗性，外源施加一定浓度的硫酸铜能够增强水稻的抗病毒能力。换言之，铜元素有利于水稻的抗病毒反应，且随着水稻体内铜离子浓度的升高，调控铜相关的重要转录因子S P L9蛋白水平会随之下降，从而使其调控的m i R528表达下调，进而导致其靶基因抗坏血酸氧化酶（A O）含量升高、活性氧（ROS）水平上调，从而发挥出抗病毒的作用。此外，OsSPL9在受到铜离子调控的同时，也对铜离子的积累有着正调控作用，二者之间存在反馈调节，共同维持水稻体内的铜含量处于动态平衡状态。

由表及里、由内而外，李毅的一系列研究成果得到了国内外专家的一致认可和赞赏。国际知名病毒学家、美国加州大学丁守伟教授坦言“对于动物和植物抗病毒R N A干扰核心因子的转录调控了解得非常少，李毅的成果提供了强有力的证据，表明了在植物中茉莉酸信号通路调控抗病毒R N A干扰”；英国剑桥大学教授、英国皇家科学院会士、美国科学院外籍院士、植物干涉小R N A最早发现者大卫·巴尔科姆（David Balcombe）爵士在其综述中写道：“这篇文章很好地说明了植物防御系统的复杂网络——RNA沉默是不同系统的重要效应机制和集成器”；美国斯坦福大学知名发育生物学教授沃尔伯特（Walbot）称“这是第一篇展示A G O18重要性和功能的文章，非常有意义”。此外，美国丹佛植物科学中心主席、美国科学院院士卡林顿（Jim Carrington）教授，国际知名小RNA领域专家、加州大学陈雪梅院士及金海翎教授等专家学者也先后于其刊发文章中采用了李毅团队的AGO18抗病毒模型，并大篇幅引用了相关文章。

李毅实验室学生毕业照

得见世界之大，更思立足当下。这是李毅在德国攻读博士期间的感悟，也是促使他将普适性研究落实到我国这一具体场景中的动力所在。通过与福建农林大学、福建农科院和中国农科院水稻研究所和作物科学研究所等高校及研究院所的联合攻关，李毅团队历时6年、踏足多地，揭示了目前我国主栽水稻品种普遍易感的3种重要水稻病毒——南方水稻黑条矮缩病毒（S R B S D V）、水稻黑条矮缩病毒（RBSDV）和水稻瘤矮病毒（RGDV）。据介绍，目前我国培育的水稻种质对这3种水稻病毒均不具有广谱抗性，一旦这些水稻病毒暴发，将会造成水稻严重减产，威胁粮食安全。就此，李毅将植物病毒致病、传播和作物抗病毒机制展开研究看作“万里长征第一步”，而为相关研究培养新鲜血液、将研究成果“写到大地上”，则是他持续思索和发力的新方向。

桃李不言——成功的教育是青出于蓝

李毅是一个善于发问的人，这个习惯同样出现于他教学的过程中。“你们以什么样的名义在北大学习？”这是他经常向学生提出的问题。幼年时家人对他的鞭策、求学过程中师长的帮助、自身对知识的向往和“择一事、终一生”的赤诚，共同夯实了他成长奋进的长路，也成为他直面挫折、踔厉奋进的动力来源。“做科学研究，失败是常事。面对失败，要有面对和反思的勇气，也要在失败中找到新的发力角度和起点。”李毅如是说道，“家人、朋友、师长和同事的支持会催生出勇气和决心，让我们面对困难时不放弃、不气馁，而我们的努力也将给支持我们的人以鼓舞。正视问题、扛起责任，从失败中汲取灵感的火花，这就是学习的意义。”

李毅（中）在作物病毒病害田间进行考察

培养良好的心理素质，是李毅教给学生的第一课。与此同时，熟悉多种球类运动的他也同样重视学生身体素质的训练。“科学研究是一条长路，需要健康的体魄、充足的体力予以支撑，所以我经常鼓励学生要锻炼身体。”而对于学生的深切关注和“为之计深远”的思索，也就这样点滴融入了他与学生的相处过程中。

“关心学生的生活，关心他们的科研。”李毅是这么说的，也是这么做的。从基本的技术方法到团队的合作方式，甚至科研成果要以怎样的形式呈现、如何讲述自己的成果、如何与相关专家就研究成果进行交流，一切与学生成长有关的细节他都一一悉心传授。为了帮助学生触达更宽广的科研世界，他经常组织各层级的合作交流活动，让学生在这个过程中查漏补缺、收获灵感、发掘科研兴趣所在，是他最感快慰的时刻。“在我看来，学生毕业后，过若干年他（她）必须超过我，学生要是没超过我就是我的失败。”李毅说道，“在科研中要有开放的心态，在教育中也要有。学生比我强，是我最乐意看到的事。唯有一代更比一代强，我们的科学才能进步、社会才能发展。”目前，李毅已累计培养近80名硕士、博士研究生及博士后，其中有近20人已获得国内外科研机构的正（副）教授职称，多人获得国家杰出青年基金、国家优秀青年基金及海外高端青年人才的资助，他们也正如李毅所期待的那样，逐步成为其所在岗位的中坚力量，在各自的研发领域发挥着自己的光和热。

“总有干不完的事情，写不完的论文、报告，还有编书和各项评审工作……”岁月无声走过，如今的李毅依旧过得忙碌而充实。谈及未来，这位先后主持了“973”项目、“863”项目、自然科学基金委重大项目和重点研发项目等30余项，所撰教材多次获得教育部和出版总署科技进步奖的学科带头人依然满怀激情。“到了现在这个年纪，要看得远一点，为国家、人民和学科的发展，做一些更有用的、更重要的事，可能也是更未知的事。无论是我们的国家还是我所在的病毒学研究领域，都是在这样攻坚克难的过程中发展壮大起来的。作为这一过程的亲历者、见证者和参与者，我将继续投身科研工作和教书育人，为中国病毒学研究及应用更加辉煌的明天献出力量。”