Characterization of resistance-related chloroplast proteins of soybean against soybean mosaic virus infection and replication

Abstract

콩 모자이크 바이러스 감염 및 복제에 대한 저항성 관련 엽록체 단백질의 특성 규명

존브왈야 국문초록 엽록체 유전자가 식물-바이러스 상호작용에 관여한다는 증거는 점점 증가하는 반면 광합성 유전자와 바이러스 저항성의 관련은 거의 연구되지 않았다. Rsv3 저항성 유전자를 보유한 콩 재배종 L29의 RNA-Seq 데이터를 분석한 결과, 콩 모자이크 바이러스(SMV) 중 비병원성 변이G5H의 감염시 여러 엽록체 관련 유전자가 강하게 유도되었으나, 병원성 변이 G7H에는 약하게 유도된 것으로 나타났다. 이중 광계 I 구성 유전자 PSaC와 ATP-합성효소 복합체의 일부인 ATP-합성효소 α-subunit (ATPsyn-α)로 추가 분석을 진행하였다. rsv3-null 감수성 품종인 Lee74에서 위의 유전자를 함께 발현하는 G7H는 야생형에 비해 훨씬 낮은 감염성을 띠었다. 같은 결과가 두 유전자를 발현한 담배 식물에서 G7H 감염시켰을 때도 확인되었다. 두 단백질 모두 엽록체 외피와 핵, 세포질에서 발견되었다. 엽록체는 방어 관련 호르몬의 초기 생합성 부위이기 때문에 ATP syn-α- 및 PSaC 매개 방어에 호르몬 관련 유전자가 관여하는지 여부를 판단했다. 흥미롭게도, ATP 합성-α를 발현하는 G7H변이에 감염된 식물에서는 여러 호르몬의 생합성에 관여하는 유전자 발현이 증가하였으나, PSaC를 발현하는 SMV-G7H에 감염된 후 자스몬산 및 살리실산 생합성 유전자 발현만 향상되었다. 두 키메라 모두 여러 항바이러스 RNA 침묵기작 유전자의 발현을 유도하였으며, 이는 이러한 저항성이 부분적으로 RNA 침묵 경로를 통해 이뤄질 수 있음을 의미한다. PSaC와 ATP 합성효소-α는 각각 NIb와 NIa-Pro와 상호작용한다는 것이 공동 면역 침전(Co-IP)에 의해 확인되었다. G7H 유전체로 PSaC 또는 ATP 합성효소-α의 C 말단 부위를 과발현시키면 감수성 품종 Lee74에서 바이러스 축적 및 전신 감염이 줄어든다. 본 연구 결과는 PSaC와 ATP syn-α 유전자가 SMV 복제 및/또는 감염된 식물에서 이동하는 동안 NIb와 NIa-Pro의 기능에 영향을 줌으로써 SMV 감염에 대한 저항성을 조절한다는 것을 시사한다. 주요어: 콩모자이크바이러스, 콩, 기주인자, 저항성 학번: 2019-34734

John Bwalya Major in Plant Microbiology Department of Agricultural Biotechnology The Graduate School of Seoul National University

GENERAL ABSTRACT Accumulating evidence attests that chloroplast-related genes are involved in plant–virus interactions. However, the involvement of photosynthesis-related genes in plant immunity is largely unexplored. Analysis of RNA-Seq data from the soybean cultivar L29, which carries the Rsv3 resistance gene, showed that several chloroplast-related genes were strongly induced in response to infection with an avirulent strain of soybean mosaic virus (SMV), G5H, but were weakly induced in response to a virulent strain, G7H. For further analysis, we selected the PSaC gene from the photosystem I and the ATP-synthase α-subunit (ATPsyn-α) gene whose encoded protein is part of the ATP-synthase complex. Overexpression of either gene within the G7H genome reduced virus levels in the susceptible cultivar Lee74 (rsv3-null). This result was confirmed by transiently expressing both genes in Nicotiana benthamiana followed by G7H infection. Both proteins localized in the chloroplast envelope as well as in the nucleus and cytoplasm. Because the chloroplast is the initial biosynthesis site of defence-related hormones, we determined whether hormone-related genes are involved in the ATPsyn-α- and PSaC-mediated defense. Interestingly, genes involved in the biosynthesis of several hormones were up-regulated in plants infected with SMV-G7H expressing ATPsyn-α. However, only jasmonic and salicylic acid biosynthesis genes were up-regulated following infection with the SMV-G7H expressing PSaC. Both chimeras induced the expression of several antiviral RNA silencing genes, which indicate that such resistance may be partially achieved through the RNA silencing pathway. PSaC and ATPsyn-α proteins interacted with NIb and NIa-Pro of SMV respectively. These interactions were confirmed by co-immunoprecipitation (Co-IP). Overexpression of the C-terminal either from PSaC or ATPsyn-α in the SMV-G7H genome reduced viral accumulation and systemic infection on susceptible cultivar. Our findings suggest that PSaC and ATPsyn-α genes modulate resistance to SMV infection by affecting the function of NIb and NIa-Pro in SMV replication and movement. These findings highlight the role of photosynthesis-related genes in regulating resistance to viruses. Keyword: Soybean mosaic virus, Glycine max, Nicotiana benthamiana, Viral replication complex, Chloroplast-virus interaction, Viral replication Student Number: 2019-3473