aBIOTECH | 黄昌军团队等编辑多个eIF4E感病基因创制持久广谱抗病毒烟草

马铃薯Y病毒属（Potyviruses）病毒是植物病毒中最庞大的一类RNA病毒，严重制约多种作物的生产。该属模式种马铃薯 Y 病毒 （Potato virus Y, PVY）是经济和科学领域最为重要的植物病毒之一，而烟草脉带花叶病毒 ( Tobacco vein banding mosaic virus, TVBMV)和辣椒脉斑驳病毒(Chilli veinal mottle virus, ChiVMV)是两种新发流行的病毒，对我国西南和南部地区多种茄科作物（如烟草、辣椒、马铃薯、番茄 ）造成严重减产和品质损失。

病毒作为专性的细胞内寄生物，已经演化出一套完整的操纵宿主细胞进程以促进自身复制的策略。近年来，越来越多的研究表明翻译起始因子eIF4E在植物抗RNA病毒感染中扮演着重要角色。eIF4E基因突变能够通过一种称为隐性抗性或易感性丧失的机制赋予植物遗传抗性。但仅依靠单个eif4e或eifiso4e突变体的隐性抗性不足以完全解决马铃薯Y病毒属病毒病害问题。病毒和植物之间激烈的“军备竞赛”使得不同的病毒种类或抗性突破分离株的侵染功能可能需要其他多种翻译起始因子，生产上迫切需要研究和创制广谱持久抗性的抗病毒材料。近日，云南烟草农业科学研究院黄昌军副研究员团队与浙江大学李正和教授团队在aBIOTECH 发表了题为“Simultaneous knockout of multiple eukaryotic translation initiation factor 4E genes confers durable and broad-spectrum resistance to potyviruses in tobacco” 的研究论文，该研究从已有抗性位点被突破和新兴病害缺乏抗性位点的产业痛点出发，通过分子机制解析与基因编辑技术，创制出对PVY、TVBMV和ChiVMV具有广谱抗性的烟草，为作物抗病育种提供了新策略。

2016-2019年期间，研究团队对云南13个烟草主产区的田间病害调查显示，携带“va”（eif4e1-s基因缺失）位点的抗性品种在PVY高发区显著降低了其PVY的发生率和产量损失，但令人担忧的是，由于“va”抗性品种的长期种植，目前已经产生PVY抗性突破株PVY RB。另一方面，调查结果表明TVBMV和ChiVMV已成为云南烟叶产区的主要新发病害。此外，在部分样品中也观察到两种病毒的复合侵染。这些结果引起了对潜在重组和va介导抗性被突破的担忧（图1B），培育具有持久和广谱抗性的作物品种已经刻不容缓。

图1. ChiVMV的典型田间症状 (发病率100%) （A）和田间采集烟草样品中PVY、TVBMV和ChiVMV的检测（B）

通过序列分析和侵染性克隆验证，PVY RB的VPg蛋白区段存在单个氨基酸（K105）突变 。酵母双杂交和BiFC互作检测表明，eIFiso4E-T是 PVY突破株系侵染必需的第二宿主因子（图2）。

图2. 筛选与VPg K105Q相互作用的eIF4E家族成员

随后，研究利用CRISPR-Cas9系统，在野生型和va烟草背景下，设计了靶向eIFiso4E-T和eIFiso4E-S基因高度保守区域的sgRNA并产生了系列基因编辑突变体。利用这些突变体进行PVY、PVY RB、TVBMV和ChiVMV的侵染抗性检测，结果表明，eIFiso4E-T在突破va抗性的PVY RB毒株的侵染过程中发挥着关键作用。在va背景下引入eifiso4e-t突变可以建立持久的PVY抗性（图3A, B）。此外，携带eifiso4e-s和va双重突变的植株对TVBMV和ChiVMV表现出广谱抗性（图3C-E）。

图3. eifiso4e编辑烟草对PVY、PVYRB、TVBMV、ChiVMV的抗性分析

最后，在va背景下叠加eifiso4e-t和eifiso4e-s的三重突变体（Y87^NILst）对PVY和TVBMV表现出持久抗性，对ChiVMV也具有稳定的抗性。在温室条件下，这些三突变体具有持久和广谱抗性且生长发育正常（图4）。表明在栽培烟草中利用基因编辑或者物理化学诱变技术敲除这三个基因，可望选育出持久和广谱抗Potyviruses品种。

图4. 三重突变体烟草对Potyviruses的广谱和持久抗性，且不影响生长发育

该研究得到了国家自然科学基金(31860490)、中国烟草总公司云南省公司重点项目(2023530000241007，2017YN02)、云南省大观实验室项目(YNDG202302ZY01)及中国博士后科学基金会(GZC20241527)的资助。云南烟草农业科学研究院刘勇博士、浙江大学博士研究生王硕为本文共同第一作者，浙江大学李正和教授和云南烟草农业科学研究院黄昌军副研究员为共同通讯作者。

引用本文：Liu, Y., Wang, S., Zhao, D. et al. Simultaneous knockout of multiple eukaryotic translation initiation factor 4E genes confers durable and broad-spectrum resistance to potyviruses in tobacco. aBIOTECH (2025). https://doi.org/10.1007/s42994-025-00216-5

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