我國植物病毒學的研究現狀及發展策略

李大偉

(中國農業大學生物學院農業生物技術國家重點實驗室,北京 100193)

植物病毒作為重要的病原物,在全世界范圍內引起農作物嚴重的病害,其引起的病害數量占植物病害的第2位。以水稻條紋葉枯病和小麥黃花葉病為例,水稻條紋葉枯病廣泛分布在江蘇、云南、福建、山東等18個省市,1999年以后在上述地區年發生面積在133萬hm2以上,2004年在江蘇、安徽、河南、山東、云南等省大流行,發病面積達333萬hm2以上,其中僅江蘇省發病面積即達157萬hm2(占水稻總面積79%),發病率 50%以上的重病田 5 166.7 hm2,1 333.3 hm2絕收。小麥黃花葉病自上世紀70年代以來,廣泛發生于我國長江中下游冬麥區的江蘇、安徽、湖北、湖南、浙江、上海和江西,西南冬麥區的四川盆地,黃淮冬麥區的山東半島、濰坊、臨沂等東部沿海地區,以及河南信陽、南陽等南部地區,陜西渭河流域的關中平原。病害發生區的冬小麥播種面積約為1 087萬hm2,其中病毒病的發病面積已達35%以上,一般造成減產30%～40%,重者達70%～80%,甚至絕收,并呈逐年加重和蔓延的趨勢。由病毒病引發的諸多社會問題也時有所聞,給我國的社會穩定和農民增產增收帶來了嚴重的負面影響。

植物病毒可通過多種途徑傳播,在自然界由灰飛虱、葉蟬、蚜蟲等多種昆蟲介體或土壤里的真菌和線蟲傳播。病毒病害的發生和流行涉及病毒-傳毒介體-寄主植物三者之間的識別和相互作用以及適宜的環境條件等多種生物與非生物因素,加之缺乏有效的化學藥劑,使得病毒病難以通過常規方法得以控制。

近年來,隨著農業生產結構調整、品種更迭及氣候變遷等,植物病毒病害的發生和發展規律也隨之不斷變化,甚至導致局部地區暴發成災。國際貿易與國際交流的日益頻繁,伴隨而來的外來病毒入侵所造成的威脅也愈加嚴重,由此也產生了新的生態和經濟安全問題。

根據國家中長期科技發展規劃的要求,特別是針對糧食安全、生態安全中的重大科學和技術問題,十分有必要深入系統地開展植物病毒病害及其防治的基礎研究和應用基礎研究。

1 植物病毒學科領域的發展規律和研究特點

由于植物病毒的絕對寄生性,植物病毒病害及其防治與植物真菌和細菌病害及其防治有很大不同,本分支學科具有一些獨特的發展規律和研究特點。

病毒是至今人們所知的在自然界最小的生物之一,其形態大小要借助電鏡放大到幾萬甚至幾十萬倍才能觀察得到。病毒具有嚴格的寄生性,必須在宿主細胞內才能生長繁殖。國際病毒分類委員會(ICTV)2005發表的第8次分類報告收錄已知植物病毒確定種763個,暫定種279個,未歸屬病毒64個,未分類的病毒16個,總計1 122個,植物病毒不僅種類繁多,其基因組的構成也多樣化,有dsDNA、ssDNA、dsRNA、ss(+)RNA 和 ss(-)RNA 等多種形式,其中RNA病毒占80%以上,這些都決定了對植物病毒認識和病毒病害防治的難度。植物病毒的基因組都比較小,多數在10 kb以下,因此很容易獲得全基因組的完整信息。

20世紀對植物病毒學的研究主要集中在植物病理學領域,隨著社會的發展和科學技術的進步,植物病毒與生物化學、生物物理學、免疫學、醫藥學等相關學科相互影響、相互滲透,尤其是生物化學、分子生物學、植物基因工程技術、信息科學等領域的飛速發展,以及新技術新方法的不斷應用,病毒學發展煥然一新。研究手段也從細菌過濾器、電子顯微鏡、X射線衍射法、掃描投射電鏡過渡到現代分子生物學技術的應用,如分子克隆、重組、體外表達,基因組學,蛋白組學等;這些方法的應用使得研究者對植物病毒的研究從形態、結構、組成及病毒核酸和蛋白質大分子的超微結構的觀察,深入到近年來的對植物病毒基因組核苷酸序列的分析和氨基酸組成及結構功能上,進一步揭示了一些植物病毒的本質特征,使人們對植物病毒有了更深刻的認識,無論是在理論上還是在應用上都有了很大發展。

植物病毒病在農業生產上的發生和流行受多種因素的綜合影響,除與病毒的株系類型及致病性分化有關外,還受寄主的抗性、傳毒介體的種類以及環境條件影響。因此,要想有效地控制植物病毒的發生與流行,必須從病毒、寄主以及傳毒介體等方面進行系統的研究。

在病毒方面,加強對國際貿易與國際交流中外來病毒的檢測;明確我國主要經濟植物上的主要病毒的種類及其分子變異;明確重要糧食作物上重要病毒病害的種類、地理分布、寄主范圍、優勢毒株的發生現狀與變異趨勢;建立我國重要作物上主要病毒鑒定診斷技術體系;與此同時,必須加強植物病毒學的基礎研究,解析在病毒復制、運動及癥狀形成中起關鍵作用的基因及其作用方式;加強重要作物病毒與寄主相互作用的機理研究,深入探討病毒蛋白、與其互作的寄主蛋白的結構和功能。

在寄主方面,明確我國主要糧食作物和重要經濟作物主栽品種、主要后備品種以及重要育種材料等對主要病毒的抗性水平;闡明主要病毒病發生、流行的規律與特點;加強病毒-媒介昆蟲-寄主三者之間相互作用以及重要病毒病害關鍵防控配套技術等研究工作。

2 近年來植物病毒學科領域的研究現狀和研究動態

在中國整體科研實力迅猛增長的大背景下,植物病毒研究也呈現快速發展的態勢,2004年以來在國際病毒學三大主流刊物Journal of Virology,Virology和Journal of General Virology上都發表了一批高質量的原創性研究論文,此外在Archives of Virology,Virus Gene等病毒學和植物病理學刊物上陸續報道一些在中國發現的新的植物病毒。據不完全統計,2004-2009年植物病毒學領域的中國本土科學家在病毒學及其相關學科專業頂級學術刊物Journal of Virology、PNAS、The Plant Journal、Plant Physiology上共發表影響因子大于5的原創性研究論文16篇,這反映了我國植物病毒學科研總體水平正在迅速提高,正在逐步步入良性循環的發展軌道。

在植物病毒基因的新功能發現方面,中科院微生物所方榮祥院士實驗室鑒定了水稻黃矮病毒(RYSV)P3蛋白是其運動蛋白,這是首次在植物彈狀病毒發現的運動蛋白[1]。浙江大學的周雪平實驗室首次鑒定了水稻條紋病毒(RSV)的運動蛋白NSvc4,這是關于纖細病毒屬(Tenuivirus)運動蛋白的首次報道[2]。北京大學李毅實驗室報道了水稻矮縮病毒(RDV)的S6編碼的蛋白Pns6能夠定位于胞間連絲,并且參與細胞間的運動 ,從而證明它是一個運動蛋白[3]。他們實驗室還報道了RDV的Pns10是植物 dsRNA病毒的基因沉默抑制子,并在dsRNA形成的上游發揮作用[4]。浙江大學的周雪平實驗室發現番茄黃化曲葉中國病毒(TYLCCV)的病毒衛星DNAβ分子編碼一個βC1蛋白,也是一個基因沉默抑制子。βC1蛋白定位于細胞核中,這種細胞核分布是癥狀發生以及沉默抑制所必需的[5]。

在病毒衛星的發現和致病性方面,中國農業大學于嘉林實驗室首次發現了甜菜黑色焦枯病毒(BBSV)及其衛星RNA,證實了衛星RNA能夠提高輔助病毒在寄主植物體內的復制與積累水平,加重病害的癥狀表現,并能促進輔助病毒的系統性侵染[6]。浙江大學的周雪平實驗室發現云南省存在的25種番茄黃化曲葉中國病毒(T YLCCV)均含有病毒衛星DNA分子,病毒衛星DNAβ分子是在寄主產生曲葉癥狀所必需的[7]。

在植物病毒與寄主互作方面,北京大學李毅實驗室發現RDV外殼蛋白P2與赤霉素合成的關鍵酶之一的貝殼杉烯氧化酶互作,使得被侵染植株中赤霉素含量下降,從而使植株變得矮小。該研究提示病毒可以通過其外殼蛋白來調控赤霉素的合成,但對病毒本身的侵染有何幫助,還不清楚[8]。中山大學和中科院遺傳發育所謝旗實驗室發現甜菜重曲頂病毒(BSCTV)C4蛋白在擬南芥中的過表達導致植物細胞的異常分化,泛素蛋白連接酶(E3)RING finger家族中的PKP能被C4誘導并可能通過調節細胞周期來影響BSCTV的侵染[9]。

在植物病毒開發與利用方面,浙江大學的周雪平實驗室利用番茄黃化曲葉中國病毒(T YLCCV)建立了一個病毒衛星DNA介導的基因沉默(VIGS)系統[10]。

在抗病毒藥物研究方面,中科院昆明植物研究所郝小江實驗室和微生物所方榮祥實驗室合作,首次發現雙裂孕烷甾體glaucogenin C及其苷類化合物選擇性地抑制正鏈RNA病毒,且對病毒宿主沒有毒性,此類化合物有可能發展成為抗-正鏈RNA病毒新的一類抑制劑[11]。

近年來,基因沉默也是植物病毒學的研究熱點之一。中科院微生物所郭惠珊實驗室發現在植物體內瞬時表達的黃瓜花葉病毒(CMV)亞基因組能被RNA沉默途徑所識別并造成位點特異的剪切。所以通過實驗方法在病毒基因組上尋找siRNA-RISC有效進入的剪切熱點,是利用amiRNA獲得高效病毒抗性的一種既經濟又有效的生物工程策略[12]。

在病毒的蟲傳機制方面,雖然大多數植物病毒需要通過昆蟲宿主進行傳播,但對于沒有包膜的植物病毒是如何進入昆蟲宿主進行起始侵染的還了解得很少。北京大學李毅實驗室發現了水稻矮縮病毒(RDV)的P2蛋白具有和動物包膜病毒膜融合蛋白相類似的結構,實驗表明P2蛋白在較低的pH條件下能夠誘導昆蟲細胞膜的融合。這一發現對于明確病毒如何侵染昆蟲、在昆蟲宿主體內復制的過程,對于病毒防治具有非常重要的意義[13]。

此外,近年來我國學者對植物病原真菌病毒的研究也取得明顯進展。廣西大學陳保善實驗室和華中農業大學姜道宏實驗室分別對寄生于栗疫病菌(Cryphonectria parasitica)和核盤菌(Sclerotinia sclerotiorum)中真菌病毒開展了深入的工作[14-15]。

從所發表的這些高水平的研究論文也可以看出：(1)科研機構的國際和國內合作性在逐漸增強;(2)上述15篇原創性植物病毒學研究論文只有中國科學院、北京大學、浙江大學和中國農業大學等少數幾家單位,發表高水平論文的研究機構偏少;(3)我國科學家的工作雖被多次引用,但尚未在國際重要期刊上發表相關研究的綜述文章,說明我國的植物病毒學的影響還比較小。

我國從事植物病毒的科學研究隊伍比較雄厚,基礎扎實,梯隊結構合理。老一代植物病毒學家中有裘維蕃、田波、謝聯輝3位中國科學院院士,仍工作在一線的有方榮祥院士,先后有7位從事(或者曾經主要從事)植物病毒學研究青年學者(王道文、周雪平、陳劍平、謝旗、李大偉、郭惠珊、劉玉樂)獲得國家杰出青年科學基金的資助。國內有多所農業大學植保學院和綜合性大學的生命科學學院、中國科學院和中國農科院等科研院所在植物病理學、生物化學與分子生物學、微生物等專業招收植物病毒學方向的博士和碩士研究生,估計每年培養研究生100名以上。

和20世紀80年代相比,中國植物病毒學的主要研究單位發生了很大的變化,一些有很好的植物病毒學研究基礎的農業大學由于知名教授的退休、分子生物學技術發展緩慢等原因在國內外的影響力變小,而一些綜合性大學和一些科研機構因為青年學者的加入也開始植物病毒的研究工作,并逐步成為植物病毒研究隊伍的中堅力量。

3 未來5～10年植物病毒學科領域的發展布局、優先領域以及與其他學科交叉的重點方向

目前我國生命科學基礎研究已經發展到由量到質、由跟蹤向超前發展的重要轉型時期,推動我國優勢、特色和重要領域的縱深發展和重點跨越,是未來我國生命科學發展的重點。

在未來5～10年植物病毒學學科優先領域以及與其他學科交叉的重點方向應包括以下幾個方面。

(1)明確主要經濟作物重要病毒的種類、地理分布、分子變異及其致病性分化趨勢,建立主要病毒分子鑒定的技術體系。同時,注意加強對國際貿易與國際交流中外來危險病毒的檢疫、監測和預警系統研制等。

(2)農業生產上造成嚴重危害的植物病毒(尤其是在我國新發現的病毒)的基因組結構、基因的生物學功能及其表達調控機理的研究,闡明在病毒復制、運動及致病過程中起關鍵作用的基因及其作用方式。

(3)從基因沉默的角度深入研究植物抵御病毒侵染、病毒抑制寄主的基因沉默的方式和途徑。

(4)病毒-傳毒介體-寄主植物三者之間相互識別和相互作用的分子機制及其生態調控的理論。

(5)主要病毒病發生、流行的規律與特點以及重要病毒病害關鍵防控配套技術。

(6)抗病毒資源發掘和種質創新,積極利用植物分子生物學的研究成果,分離植物抗病毒新基因。

(7)利用小RNA等的最新研究成果,開展抗病毒轉基因新策略、新技術的探索,為抗病毒轉基因作物新品種的培育提供強大的理論基礎。

(8)新型的病毒誘導的基因沉默(VIGS)載體和植物病毒表達載體的構建,為植物基因功能驗證和植物生物反應器提供新的工具。

(9)在植物病毒防治的應用基礎方面,鼓勵抗病毒藥劑、調節劑的研制。

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