植物大戰病毒

石楠

在引發植物疫病的眾多病原體中，病毒可能是最難纏的一類。幸運的是，經過漫長的協同進化，植物進化出了多種對抗病毒的防御機制。科學家們正在研究這些天然的防御機制，并試圖結合新的基因工程技術，培育出抗病的作物新品種。

2011年，肯尼亞西南部的玉米遭受了一種致命的病害，受感染的植株葉子上出現了蒼白的條紋，然后整株玉米漸漸枯萎死亡。國際應用生物科學中心的科學家收集了受感染的植物樣本，并將其送到英國的實驗室。隨后研究人員對受感染植物表達的RNA分子進行了測序，測序后發現，這種疫病是由甘蔗花葉病毒和玉米褪綠斑駁病毒雙重感染造成的。

研究人員對這些病毒并不陌生，因為在20世紀后半葉，美國堪薩斯州的玉米也曾遭遇了類似的情況。玉米褪綠斑駁病毒會對玉米造成嚴重損害，而加上本身對玉米無害的甘蔗花葉病毒之后，它的破壞性更強了。不過，由于更換了抗病性更強的玉米品種，堪薩斯州自1988年以來沒有再發生過大規模的致死性玉米病害。然而在2011年，病毒襲擊肯尼亞時，當地的玉米卻完全沒有防御能力。在接下來的一年里，這種名為“玉米致死性壞死病”的疫病在肯尼亞7.7萬公頃的玉米地中肆虐，造成的損失約合5200萬美元。現在，這種疫病已經擴散到大多數東非國家，并威脅著數百萬人的糧食安全。

植物和動物一樣容易受到病毒感染。植物病毒的危險之處在于，它們不像細菌和其他病原體一樣能用抗生素或殺蟲劑殺死。目前，我們還沒有治愈植物病毒病的有效方法，只能用各種辦法進行預防，而染病的病株只能直接拔掉、銷毀。

當然，面對病毒，植物也并不只是被動的受害者，許多植物已經進化出了對抗病毒感染的免疫機制。科學家正在研究這些天然免疫機制，并通過雜交育種或基因編輯等方式增強植物的天然免疫力，從而研發出抗病的新作物品種。目前，一些基因改造作物已經被推廣種植，還有一些正等待監管部門的批準。

植物的天然免疫系統

眾所周知，人體具有復雜而完善的免疫系統，無時無刻不在抵抗病原體入侵和消滅體內的病原體，使我們保持健康。而植物也有一套完善的免疫系統，以對抗各種病蟲害。

植物雖然不像人類一樣有特化的免疫器官和免疫細胞，但其每一個活細胞都可以激發免疫反應。一旦病原體（病菌或病毒）進入植物細胞壁范圍內，就會觸發第一道免疫防線。植物細胞表面的多種“模式識別受體”能夠識別“病原相關分子”（如細菌細胞壁和鞭毛中的某些成分），從而激活多種非特異性免疫反應，如增加細胞內抗菌物質的含量以殺死病菌，促進細胞凋亡從而阻止病原體擴散等。這些免疫反應對抵抗病菌尤其有效，同時對病毒入侵也有一定的防御功能。雖然目前還未發現專門針對病毒的模式識別受體，但科學家發現，植物細胞可以識別病毒的核酸。雖然不同生物體內核酸的基本結構相同，但真核細胞內的DNA和RNA都具有特殊的生化特征（如RNA的“帽子”結構和DNA的甲基化等），病毒的核酸不具有這些特征，因此會被植物細胞判定為入侵者，從而激活免疫反應。

一些病原體能夠產生某些蛋白質干擾植物細胞中與免疫相關的激酶，從而突破第一道免疫防線，這類蛋白質統稱為“效應因子”。一旦病原體穿過了第一道防線，植物細胞就會啟動特異性和抵抗力更強的第二道防線。當細胞質內的“植物抗性蛋白（R蛋白）”識別出效應因子時，就會引發比第一道防線更強烈的免疫反應：積累更高濃度的殺菌物質；啟動“泛素蛋白酶體通路”，降解病原體的蛋白組分；誘導“超敏反應”，殺死感染病原體的細胞；向其他細胞傳遞信號，激活植物整體的抗病性。

在與病毒的長期抗爭中，植物對經常感染的一些病毒已經產生了較強的抗性。它們對這些“死敵”有一些更高效、更具針對性的防御對策。科學家對這些特殊的防御對策很感興趣，因為這些防御機制可能成為培育抗病作物的關鍵。

防御對策1：RNA沉默

很多植物病毒復制時就會形成雙鏈RNA，當植物細胞檢測到雙鏈RNA時，它就會啟動RNA沉默（又稱RNA干擾）機制，阻止病毒基因的表達。首先，植物體內的一種RNA酶——“Dicer蛋白”將病毒烈A轉化為“小干擾RNA（siRNA）”。接著，細胞內一些其他的蛋白與siRNA結合，構成一種“RNA誘導的沉默復合物（RISC）”。之后，這個蛋白復合體將根據siRNA序列來追蹤病毒HA，并將其切割、降解。這是植物保護自己免受病毒侵害的主要機制。

在最近20多年，研究人員一直試圖提高植物利用這種機制來對抗病毒的能力。在20世紀90年代，美國夏威夷的番木瓜產業幾乎被番木瓜環斑病毒所摧毀，這種病毒會使木瓜樹的葉子變黃，導致果樹逐漸枯萎、最終死亡。科學家將編碼環斑病毒衣殼蛋白的基因插入細菌質粒中，并用基因槍將質粒導入離體培養的木瓜細胞。質粒在細胞中轉錄出與病毒RNA，激活了木瓜細胞的RNA沉默機制。這一過程就像是注射疫苗，使木瓜細胞不經感染就擁有了對環斑病毒的抗性。然后，通過組織培養技術，研究人員將具有抗性的木瓜細胞培養成植株，這種木瓜的每一個細胞都出于“備戰狀態”，一旦環斑病毒入侵，就立刻使其RNA沉默。這個新品種木瓜被命名為“彩虹”，它于1998年上市，現在已經在夏威夷木瓜市場占據了主導地位。

在過去的幾十年里，植物遺傳學家也使用了類似的技術來對抗其他作物病毒。例如，在20世紀90年代末，科學家在南瓜中轉入黃瓜花葉病毒、西瓜花葉病毒和西葫蘆黃花葉病毒的基因，使其對這些病毒有了抵抗力。這種轉基因南瓜已經在加拿大和美國獲得批準。

最近，一些科學家們正在研究如何利用植物的RNA沉默機制來提升木薯的抗病力。木薯是一種根莖類作物，在南美洲和非洲的一些地區，它是數億人賴以生存的主食。木薯褐條病是由烏干達木薯褐條病毒（UCBSV）和木薯褐條病毒（CBSV）引起的，木薯對其沒有天然的抵抗力。這種疫病在自20世紀80年代就出現了，一開始影響范圍不大，到了2004年，病毒蔓延到非洲多個國家，給當地農業造成巨大的破壞。

2011年，研究人員使用一種細菌質粒，將UCBSV的外殼蛋白基因序列插入到木薯細胞的基因組中，成功地啟動木薯天然RNA沉默機制來對抗病毒。在隨后的溫室實驗中，研究人員將染病的木薯枝條嫁接在經過基因改造的木薯植株上，這些木薯不負希望地表現出了百分之百的抗病性。在另一個研究項目中，研究人員在木薯體內轉入了CBSV衣殼蛋白基因，田間試驗結果顯示，98%的轉基因木薯對木薯褐條病毒產生了抗性。

為了生產一種對多種毒株具有抗性的木薯品種，研究人員將來自兩種病毒的全部衣殼蛋白基因序列組合成一個質粒，并將其插入到木薯的基因組中。這些轉基因木薯在肯尼亞和烏干達的小規模田間試驗中表現良好，12個月后，25個轉基因品種中的16個沒有出現任何癥狀。目前，該項目的田間試驗仍在繼續，研究小組正在與烏干達和肯尼亞的農業監管機構合作，希望能將這些抗病品種推廣種植。

防御對策2：改變蛋白結構

由于病毒自身攜帶的物質有限，它們必須借助宿主細胞內的一些蛋白才能進行復制。植物保護自己免受病毒感染的另一種方式是改變體內這些“助紂為虐”的蛋白。例如，科學家在20世紀90年代發現，病毒的“末端結合蛋白”能與植物中“真核起始因子4E（eIF4E）”家族的蛋白質相互作用。真核起始因子在植物細胞的蛋白合成中起著非常關鍵的作用，而植物病毒“挾持”了這種蛋白質，從而利用植物細胞本身的蛋白質合成系統生產病毒復所需要的蛋白質。

2002年，法國一個研究小組發現，有幾種辣椒對某些病毒具有天然抗性，其抗性是由eIF4E基因的突變引起的。這種突變使一種起始因子的分子結構發生了改變，從而阻礙了它與病毒蛋白的結合。與此同時，研究人員還發現了一種擬南芥突變株，其體內一種eIF4E的基因被關閉，這一突變不會影響植物的正常生長，但阻礙了病毒的復制。最近，日本科學家在擬南芥體內發現了一種變異的蛋白質，它能抑制“車前草亞洲花葉病毒”的移動蛋白，使其不能在植物細胞間轉移，從而避免整株植物受感染。

長期以來，植物育種專家一直在利用這種自然產生的遺傳抗性，選擇性地將栽培作物與抗病的野生品種雜交，以生產抗病力更強的作物。例如，在20世紀80年代，科學家們將木薯與其野生“近親”、抗木薯花葉病的樹木薯雜交，獲得了抗病性強的木薯品種。然而，這種傳統的育種方法可能需要數年到數十年的時間，如果針對每一種新的病毒都必須引入新的抗性基因，這種方法就更麻煩了。最近，科學家們利用基因工程技術，能夠更迅速、更精確地武裝農作物。

2017年，科學家經過篩選，發現了木薯中的兩種起始因子蛋白會與CBSV和UCBSV的蛋白質發生相互作用。然后，研究人員利用CRISPR-Cas9系統編輯了相關基因的序列，以阻止這兩種蛋白的表達。在溫室試驗中，這種經過基因編輯的木薯顯示出較強的抗病性，但它對木薯褐條病不能完全免疫。這表明病毒也可能與其他未經編輯的起始因子相互作用。研究人員希望對木薯基因組繼續作進一步調整，以設計出一種完全抗病的品種。

隨著對植物天然防御機制的進一步了解，隨著基因編輯技術的迅速發展，科學家能夠更準確、高效地設計出抗病的作物品種。但這卻是一場艱苦的戰斗。因為病毒在不斷變異、進化，其速度比植物計劃的速度快很多，而每一種病毒都會對這種植物的防御機制產生抗性，這只是時間問題。例如，許多病毒能制造一種蛋白質，它可以吸收siRNA，從而阻止RNA沉默；而一些病毒改變了蛋白質的結構，使它們能夠與植物體內變異的起始因子蛋白結合。

雖然基因編輯有助于開發抗病性更強的作物，但這種方法在農業上的應用仍處于初級階段。每一個經過基因改造的新品種都需要進行長期的試驗，確保其安全性之后才能被推廣種植。目前，面對植物病毒病，嚴格的檢疫仍然是關鍵。快速識別新的病毒威脅，在疫病大規模擴散前遏制疫情，才能有效避免嚴重的經濟損失，這對很多作物品種換代慢，防疫投入不足的發展中國家尤為重要。

2011年，國際應用生物科學中心（CABI）啟動了一個名為“植物智慧”的項目，與非洲農民合作，幫助診斷和治療作物的疾病。項目的主要創新之一是“植物診所”，當地農民可以與訓練有素的植物衛生專家會面，識別自家田地里害蟲和病原體。通過與農民會談，科學家能第一時間發現各地出現的新的疫病，植物診所在疫病的早期檢測中起到了重要作用。一些新技術也在其中發揮了重要作用。例如，科學家正在使用便攜式DNA測序儀，幫助發展中國家的農民識別新的病毒，使他們能夠迅速采取行動，減少疫病傳播。

盡管在對抗植物病毒方面仍存在許多挑戰，但科學技術的進步也讓我們有了更多的對策。在與植物病毒曠日持久的戰爭中，目前我們正占據著上風。

植物細胞中的“病毒工廠”

在19世紀50年代后期，一種毀滅性的疫病開始在荷蘭的煙草種植園中蔓延，患病煙草的葉片先是出現花斑，然后逐漸萎縮、壞死，因此這種疫病被稱為“煙草花葉病”。當時的科學家發現，把受感染的煙草的汁液注入健康的植物中，健康植株也會患病。他們因此認為。這種疫病是由細菌引起的。然而，后來又有科學家發現，將患病煙草的汁液經過陶瓷制成的細菌過濾器（陶瓷的微孔能比細菌的尺寸小，因此能過濾掉細菌）過濾之后，仍然具有傳染花葉病的能力，這表明傳播這種疫病的病原體并非細菌。1898年，荷蘭微生物學家貝杰林克創造了“病毒”一詞，用來描述這種神秘“傳染因子”。

20世紀上半葉，科學家搞清了病毒的基本構造，但對它們致病的機理并不了解。20世紀50年代，科學家們開始使用電子顯微鏡來觀。察病毒和植物細胞的相互作用。揭示了在受感染細胞中發生的巨大變化。研究人員發現，被感染的細胞中有很多囊泡狀的結構，像是某種新的細胞器。

30多年后，科學家發現，這些直徑從50到350納米不等的奇怪囊泡是病毒感染的主要來源，它被稱為“病毒原質”或“病毒工廠”。在這些囊泡中。病毒利用植物細胞中的原材料進行瘋狂復制，增殖的病毒又會感染新的宿主。這些“工廠”的生產效率非常高，例如，番茄叢矮病毒可以在24小時內產生近100萬個后代。這是一個令人難以置信的強大過程。這些“工廠”也可以保護其中的病毒，使它們避開植物免疫系統的識別。

新的病毒（或病毒基因組）會通過植物細胞之間的胞間連絲進入鄰近的細胞中。但這些通道通常只允許小分子的轉運，蛋白質和核酸無法通過。于是，這些病毒耍了一點小花招。它們釋放出一種“移動蛋白”。讓通道擴大，這樣它們就可以順利通過了。一些病毒會進入植物的韌皮部，某些昆蟲（如蚜蟲）在吸食樹汁時可能將病毒一并吸走，并帶到其他的植株中去，造成大片作物接連感染。

自噬——“吃掉”病毒

最近的一些研究發現，植物可以通過自噬作用來清除體內的病毒。細胞自噬是依賴溶酶體途徑對胞質蛋白和細胞器進行降解的一種過程，其主要功能是清除受損的細胞結構和不再需要的生物大分子，并將這些成分降解和再利用。

清華大學的學者發現，植物的一種自噬蛋白能與雙子病毒（一類具有環狀單鏈DNA的植物病毒）的一個關鍵基因結合，并將其運送到自噬體中進行降解。研究發現，在某些病毒中，這一基因發生了突變，不能被植物的自噬蛋白識別，這使它具有更強的感染性。另一方面，研究人員促進了“本氏煙”（一種煙草屬植物，研究植物與病毒互作的模式生物）細胞的自噬作用，發現其對幾種雙子病毒產生了更強的抗性。

最近，南京農業大學和加拿大農業與農業食品部聯合研究發現，植物中另一種自噬蛋白能介導RNA聚合酶的靶向自噬，從而抑制RNA病毒的復制。

掌握了植物細胞自噬的抗病毒機制，科學家們希望能將其應用到作物育種中來，如選擇自噬反應更快的品種，以獲得高抗病性的作物。