李大偉

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193)

植物病毒作為重要的病原物,在全世界范圍內(nèi)引起農(nóng)作物嚴(yán)重的病害,其引起的病害數(shù)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(qū)年發(fā)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(fā)病面積達(dá)333萬hm2以上,其中僅江蘇省發(fā)病面積即達(dá)157萬hm2(占水稻總面積79%),發(fā)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(jì)70年代以來,廣泛發(fā)生于我國長江中下游冬麥區(qū)的江蘇、安徽、湖北、湖南、浙江、上海和江西,西南冬麥區(qū)的四川盆地,黃淮冬麥區(qū)的山東半島、濰坊、臨沂等東部沿海地區(qū),以及河南信陽、南陽等南部地區(qū),陜西渭河流域的關(guān)中平原。病害發(fā)生區(qū)的冬小麥播種面積約為1 087萬hm2,其中病毒病的發(fā)病面積已達(dá)35%以上,一般造成減產(chǎn)30%～40%,重者達(dá)70%～80%,甚至絕收,并呈逐年加重和蔓延的趨勢。由病毒病引發(fā)的諸多社會問題也時有所聞,給我國的社會穩(wěn)定和農(nóng)民增產(chǎn)增收帶來了嚴(yán)重的負(fù)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(fā)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(huán)境條件等多種生物與非生物因素,加之缺乏有效的化學(xué)藥劑,使得病毒病難以通過常規(guī)方法得以控制。

近年來,隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)調(diào)整、品種更迭及氣候變遷等,植物病毒病害的發(fā)生和發(fā)展規(guī)律也隨之不斷變化,甚至導(dǎo)致局部地區(qū)暴發(fā)成災(zāi)。國際貿(mào)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(yán)重,由此也產(chǎn)生了新的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)安全問題。

根據(jù)國家中長期科技發(fā)展規(guī)劃的要求,特別是針對糧食安全、生態(tài)安全中的重大科學(xué)和技術(shù)問題,十分有必要深入系統(tǒng)地開展植物病毒病害及其防治的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

1 植物病毒學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)律和研究特點(diǎn)

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(xì)菌病害及其防治有很大不同,本分支學(xué)科具有一些獨(dú)特的發(fā)展規(guī)律和研究特點(diǎn)。

病毒是至今人們所知的在自然界最小的生物之一,其形態(tài)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(yán)格的寄生性,必須在宿主細(xì)胞內(nèi)才能生長繁殖。國際病毒分類委員會(ICTV)2005發(fā)表的第8次分類報(bào)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(jì)1 122個,植物病毒不僅種類繁多,其基因組的構(gòu)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(rèn)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(shù)在10 kb以下,因此很容易獲得全基因組的完整信息。

20世紀(jì)對植物病毒學(xué)的研究主要集中在植物病理學(xué)領(lǐng)域,隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,植物病毒與生物化學(xué)、生物物理學(xué)、免疫學(xué)、醫(yī)藥學(xué)等相關(guān)學(xué)科相互影響、相互滲透,尤其是生物化學(xué)、分子生物學(xué)、植物基因工程技術(shù)、信息科學(xué)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展,以及新技術(shù)新方法的不斷應(yīng)用,病毒學(xué)發(fā)展煥然一新。研究手段也從細(xì)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(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的應(yīng)用,如分子克隆、重組、體外表達(dá),基因組學(xué),蛋白組學(xué)等;這些方法的應(yīng)用使得研究者對植物病毒的研究從形態(tài)、結(jié)構(gòu)、組成及病毒核酸和蛋白質(zhì)大分子的超微結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)功能上,進(jìn)一步揭示了一些植物病毒的本質(zhì)特征,使人們對植物病毒有了更深刻的認(rèn)識,無論是在理論上還是在應(yīng)用上都有了很大發(fā)展。

植物病毒病在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的發(fā)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(guān)外,還受寄主的抗性、傳毒介體的種類以及環(huán)境條件影響。因此,要想有效地控制植物病毒的發(fā)生與流行,必須從病毒、寄主以及傳毒介體等方面進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

在病毒方面,加強(qiáng)對國際貿(mào)易與國際交流中外來病毒的檢測;明確我國主要經(jīng)濟(jì)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(yōu)勢毒株的發(fā)生現(xiàn)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(shù)體系;與此同時,必須加強(qiáng)植物病毒學(xué)的基礎(chǔ)研究,解析在病毒復(fù)制、運(yùn)動及癥狀形成中起關(guān)鍵作用的基因及其作用方式;加強(qiáng)重要作物病毒與寄主相互作用的機(jī)理研究,深入探討病毒蛋白、與其互作的寄主蛋白的結(jié)構(gòu)和功能。

在寄主方面,明確我國主要糧食作物和重要經(jīng)濟(jì)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(fā)生、流行的規(guī)律與特點(diǎn);加強(qiáng)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(guān)鍵防控配套技術(shù)等研究工作。

2 近年來植物病毒學(xué)科領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和研究動態(tài)

在中國整體科研實(shí)力迅猛增長的大背景下,植物病毒研究也呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢,2004年以來在國際病毒學(xué)三大主流刊物Journal of Virology,Virology和Journal of General Virology上都發(fā)表了一批高質(zhì)量的原創(chuàng)性研究論文,此外在Archives of Virology,Virus Gene等病毒學(xué)和植物病理學(xué)刊物上陸續(xù)報(bào)道一些在中國發(fā)現(xiàn)的新的植物病毒。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),2004-2009年植物病毒學(xué)領(lǐng)域的中國本土科學(xué)家在病毒學(xué)及其相關(guān)學(xué)科專業(yè)頂級學(xué)術(shù)刊物Journal of Virology、PNAS、The Plant Journal、Plant Physiology上共發(fā)表影響因子大于5的原創(chuàng)性研究論文16篇,這反映了我國植物病毒學(xué)科研總體水平正在迅速提高,正在逐步步入良性循環(huán)的發(fā)展軌道。

在植物病毒基因的新功能發(fā)現(xiàn)方面,中科院微生物所方榮祥院士實(shí)驗(yàn)室鑒定了水稻黃矮病毒(RYSV)P3蛋白是其運(yùn)動蛋白,這是首次在植物彈狀病毒發(fā)現(xiàn)的運(yùn)動蛋白[1]。浙江大學(xué)的周雪平實(shí)驗(yàn)室首次鑒定了水稻條紋病毒(RSV)的運(yùn)動蛋白NSvc4,這是關(guān)于纖細(xì)病毒屬(Tenuivirus)運(yùn)動蛋白的首次報(bào)道[2]。北京大學(xué)李毅實(shí)驗(yàn)室報(bào)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(xì)胞間的運(yùn)動 ,從而證明它是一個運(yùn)動蛋白[3]。他們實(shí)驗(yàn)室還報(bào)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(fā)揮作用[4]。浙江大學(xué)的周雪平實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)番茄黃化曲葉中國病毒(TYLCCV)的病毒衛(wèi)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(xì)胞核中,這種細(xì)胞核分布是癥狀發(fā)生以及沉默抑制所必需的[5]。

在病毒衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)和致病性方面,中國農(nóng)業(yè)大學(xué)于嘉林實(shí)驗(yàn)室首次發(fā)現(xiàn)了甜菜黑色焦枯病毒(BBSV)及其衛(wèi)星RNA,證實(shí)了衛(wèi)星RNA能夠提高輔助病毒在寄主植物體內(nèi)的復(fù)制與積累水平,加重病害的癥狀表現(xiàn),并能促進(jìn)輔助病毒的系統(tǒng)性侵染[6]。浙江大學(xué)的周雪平實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)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(wèi)星DNA分子,病毒衛(wèi)星DNAβ分子是在寄主產(chǎn)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(xué)李毅實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)RDV外殼蛋白P2與赤霉素合成的關(guān)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(diào)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(xué)和中科院遺傳發(fā)育所謝旗實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)甜菜重曲頂病毒(BSCTV)C4蛋白在擬南芥中的過表達(dá)導(dǎo)致植物細(xì)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(dǎo)并可能通過調(diào)節(jié)細(xì)胞周期來影響B(tài)SCTV的侵染[9]。

在植物病毒開發(fā)與利用方面,浙江大學(xué)的周雪平實(shí)驗(yàn)室利用番茄黃化曲葉中國病毒(T YLCCV)建立了一個病毒衛(wèi)星DNA介導(dǎo)的基因沉默(VIGS)系統(tǒng)[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(shí)驗(yàn)室和微生物所方榮祥實(shí)驗(yàn)室合作,首次發(fā)現(xiàn)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(fā)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(xué)的研究熱點(diǎn)之一。中科院微生物所郭惠珊實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)在植物體內(nèi)瞬時表達(dá)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(diǎn)特異的剪切。所以通過實(shí)驗(yàn)方法在病毒基因組上尋找siRNA-RISC有效進(jìn)入的剪切熱點(diǎn),是利用amiRNA獲得高效病毒抗性的一種既經(jīng)濟(jì)又有效的生物工程策略[12]。

在病毒的蟲傳機(jī)制方面,雖然大多數(shù)植物病毒需要通過昆蟲宿主進(jìn)行傳播,但對于沒有包膜的植物病毒是如何進(jìn)入昆蟲宿主進(jìn)行起始侵染的還了解得很少。北京大學(xué)李毅實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)表明P2蛋白在較低的pH條件下能夠誘導(dǎo)昆蟲細(xì)胞膜的融合。這一發(fā)現(xiàn)對于明確病毒如何侵染昆蟲、在昆蟲宿主體內(nèi)復(fù)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(xué)者對植物病原真菌病毒的研究也取得明顯進(jìn)展。廣西大學(xué)陳保善實(shí)驗(yàn)室和華中農(nóng)業(yè)大學(xué)姜道宏實(shí)驗(yàn)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(fā)表的這些高水平的研究論文也可以看出：(1)科研機(jī)構(gòu)的國際和國內(nèi)合作性在逐漸增強(qiáng);(2)上述15篇原創(chuàng)性植物病毒學(xué)研究論文只有中國科學(xué)院、北京大學(xué)、浙江大學(xué)和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)等少數(shù)幾家單位,發(fā)表高水平論文的研究機(jī)構(gòu)偏少;(3)我國科學(xué)家的工作雖被多次引用,但尚未在國際重要期刊上發(fā)表相關(guān)研究的綜述文章,說明我國的植物病毒學(xué)的影響還比較小。

我國從事植物病毒的科學(xué)研究隊(duì)伍比較雄厚,基礎(chǔ)扎實(shí),梯隊(duì)結(jié)構(gòu)合理。老一代植物病毒學(xué)家中有裘維蕃、田波、謝聯(lián)輝3位中國科學(xué)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(jīng)主要從事)植物病毒學(xué)研究青年學(xué)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(xué)基金的資助。國內(nèi)有多所農(nóng)業(yè)大學(xué)植保學(xué)院和綜合性大學(xué)的生命科學(xué)學(xué)院、中國科學(xué)院和中國農(nóng)科院等科研院所在植物病理學(xué)、生物化學(xué)與分子生物學(xué)、微生物等專業(yè)招收植物病毒學(xué)方向的博士和碩士研究生,估計(jì)每年培養(yǎng)研究生100名以上。

和20世紀(jì)80年代相比,中國植物病毒學(xué)的主要研究單位發(fā)生了很大的變化,一些有很好的植物病毒學(xué)研究基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)大學(xué)由于知名教授的退休、分子生物學(xué)技術(shù)發(fā)展緩慢等原因在國內(nèi)外的影響力變小,而一些綜合性大學(xué)和一些科研機(jī)構(gòu)因?yàn)榍嗄陮W(xué)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(duì)伍的中堅(jiān)力量。

3 未來5～10年植物病毒學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展布局、優(yōu)先領(lǐng)域以及與其他學(xué)科交叉的重點(diǎn)方向

目前我國生命科學(xué)基礎(chǔ)研究已經(jīng)發(fā)展到由量到質(zhì)、由跟蹤向超前發(fā)展的重要轉(zhuǎn)型時期,推動我國優(yōu)勢、特色和重要領(lǐng)域的縱深發(fā)展和重點(diǎn)跨越,是未來我國生命科學(xué)發(fā)展的重點(diǎn)。

在未來5～10年植物病毒學(xué)學(xué)科優(yōu)先領(lǐng)域以及與其他學(xué)科交叉的重點(diǎn)方向應(yīng)包括以下幾個方面。

(1)明確主要經(jīng)濟(jì)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(shù)體系。同時,注意加強(qiáng)對國際貿(mào)易與國際交流中外來危險病毒的檢疫、監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)研制等。

(2)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上造成嚴(yán)重危害的植物病毒(尤其是在我國新發(fā)現(xiàn)的病毒)的基因組結(jié)構(gòu)、基因的生物學(xué)功能及其表達(dá)調(diào)控機(jī)理的研究,闡明在病毒復(fù)制、運(yùn)動及致病過程中起關(guān)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(jī)制及其生態(tài)調(diào)控的理論。

(5)主要病毒病發(fā)生、流行的規(guī)律與特點(diǎn)以及重要病毒病害關(guān)鍵防控配套技術(shù)。

(6)抗病毒資源發(fā)掘和種質(zhì)創(chuàng)新,積極利用植物分子生物學(xué)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(zhuǎn)基因新策略、新技術(shù)的探索,為抗病毒轉(zhuǎn)基因作物新品種的培育提供強(qiáng)大的理論基礎(chǔ)。

(8)新型的病毒誘導(dǎo)的基因沉默(VIGS)載體和植物病毒表達(dá)載體的構(gòu)建,為植物基因功能驗(yàn)證和植物生物反應(yīng)器提供新的工具。

(9)在植物病毒防治的應(yīng)用基礎(chǔ)方面,鼓勵抗病毒藥劑、調(diào)節(jié)劑的研制。

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