植物病毒混合侵染研究進(jìn)展
2019-01-03 02:05:58賀振甘海峰陳雯
江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年21期
賀振 甘海峰 陳雯
摘要：混合侵染是病毒為害作物時(shí)存在的一種普遍現(xiàn)象，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅，并常造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。目前，已報(bào)道了多種病毒混合侵染的相關(guān)研究。本文綜述了近年來(lái)對(duì)植物病毒混合侵染現(xiàn)象以及內(nèi)在機(jī)制的研究現(xiàn)狀，從基因沉默抑制子、小RNA、進(jìn)化博弈等方面探討了影響植物病毒混合侵染的因素，以期為病毒病害的有效防控提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞：植物病毒;混合侵染;基因沉默抑制子;進(jìn)化博弈
中圖分類號(hào)： S432.4+1文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A
文章編號(hào)：1002-1302（2019）21-0060-03
收稿日期：2018-07-26
基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：31601604）;中央本級(jí)重大增減支項(xiàng)目（編號(hào)：2060302）;云南省甘蔗遺傳改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（編號(hào)：2018DG018-1）;農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱帶作物生物學(xué)與遺傳資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題（編號(hào)：1630052019001）。
作者簡(jiǎn)介：賀振（1987—），男，山東臨沂人，博士，副教授，研究方向?yàn)橹参锊《緦W(xué)。E-mail：hezhen@yzu.edu.cn。
在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，2種或者2種以上病毒混合侵染作物發(fā)生普遍[1]，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅，并常造成重大的經(jīng)濟(jì)損失[2-4]。病毒混合侵染能夠引起病害癥狀加劇[5-7]，改變病毒的寄主范圍[8]、介體傳播效率[9-10]、細(xì)胞定位[11]以及濃度[4，10，12-13]等性狀特征。因此，對(duì)于植物病毒混合侵染的研究顯得尤為重要，探索解析植物病毒混合侵染，對(duì)于揭示病毒病害流行規(guī)律和制定防控策略具有十分重要的意義。本文從植物病毒混合侵染的現(xiàn)象與類型、作用機(jī)制以及進(jìn)化博弈論在病毒混合侵染中的應(yīng)用3個(gè)方面進(jìn)行綜述。
1植物病毒的混合侵染
1.1植物病毒混合侵染現(xiàn)象
馬鈴薯Y病毒（potato virus Y，PVY）和馬鈴薯X病毒（potato virus X，PVX）混合侵染煙草（Nicotiana tabacum），是病毒混合侵染的經(jīng)典案例[14]。PVX是馬鈴薯X病毒屬（Potexvirus）的典型成員，單獨(dú)侵染煙草時(shí)，產(chǎn)生溫和的花葉癥狀，而與PVY等馬鈴薯Y病毒屬（Potyvirus）成員混合侵染時(shí)，癥狀明顯加劇，PVX的累積量比單獨(dú)侵染時(shí)提高了10倍[15]。近年來(lái)，報(bào)道了大量的病毒混合侵染引起作物嚴(yán)重?fù)p失的研究，尤其是馬鈴薯Y病毒科（Potyviridae）病毒與其他種類病毒混合侵染類型，如蕪菁花葉病毒（turnip mosaic virus，TuMV）與花椰菜花葉病毒（cauliflower mosaic virus，CaMV）混合侵染擬南芥（Arabidopsis thaliana）時(shí)，TuMV粒體含量的積累增加，而CaMV的濃度降低，與單獨(dú)侵染相比，混合侵染時(shí)癥狀變化不明顯[12];TuMV與萵苣侵染性黃花病毒（Lettuce infectious yellows virus，LIYV）混合侵染本生煙（Nicotiana benthamiana）時(shí)，癥狀明顯加劇，LIYV在寄主中的濃度顯著增加，而TuMV濃度的變化不大[16];小麥線條花葉病毒（wheat streak mosaic virus，WSMV）與麥類花葉病毒（triticum mosaic virus，TriMV）混合侵染小麥時(shí)，在感病品種（Arapahoe和Tomahawk）中，癥狀表現(xiàn)加劇，2種病毒的濃度均增加，而在低溫抗病品種（Mace）中，癥狀表現(xiàn)不明顯，病毒濃度變化也不顯著[4]。引起甘蔗花葉病的甘蔗花葉病毒（sugarcane mosaic virus，SCMV）、高粱花葉病毒（sorghum mosaic virus，SrMV）和甘蔗線條花葉病毒（sugarcane streak mosaic virus，SCSMV）存在廣泛的混合侵染現(xiàn)象[17-18]，如在印度蔗區(qū)，SCSMV與SCMV混合侵染現(xiàn)象普遍[19-20];而在我國(guó)云南蔗區(qū)和國(guó)家甘蔗種質(zhì)資源圃內(nèi)，SrMV與SCSMV混合侵染現(xiàn)象普遍，也存在3種病毒同時(shí)混合侵染的現(xiàn)象[21-24]。
1.2植物病毒混合侵染類型
通?；旌锨秩景?種途徑：協(xié)同侵染（co-infection）和重疊侵染（super-infection）[25-26]。協(xié)同侵染是指2個(gè)或者更多病毒同時(shí)或者在短時(shí)間內(nèi)侵染同一寄主;重疊侵染是指不同的病毒或者病毒株系在不同的時(shí)間侵染同一寄主[3]。在混合侵染中，2種病毒或者同種病毒的2個(gè)不同株系間的互作方式多種多樣，一般可分為2種類型：拮抗作用和協(xié)生作用[3]。拮抗作用是指同種病毒的不同株系先后侵染某寄主時(shí)，先侵染病毒株系能夠抑制或者降低后侵染的病毒株系[27-28]?；旌锨秩就N寄主時(shí)，病毒間的拮抗作用可以表現(xiàn)為互斥（mutual exclusion）或者交叉保護(hù)（cross-protection）[3-5]。協(xié)生作用是指2種病毒混合侵染時(shí)，利于2種病毒或者至少其中1種病毒在寄主體內(nèi)復(fù)制增殖、濃度積累，通常能夠引起寄主植物表現(xiàn)出比2種病毒癥狀的簡(jiǎn)單疊加效應(yīng)更嚴(yán)重的癥狀表現(xiàn)[3-4，8-9，11，14，16]。在自然界中，協(xié)生作用在介體傳播（vector-brone）的病毒間尤為常見(jiàn)，一般表現(xiàn)為一種病毒的存在利于另外一種病毒的介體傳播[3，10，29-30]。病毒間的協(xié)生作用與寄主種類[9，31-32]、寄主品種[4]密切相關(guān)，相同2種病毒混合侵染不同寄主時(shí)，2種病毒間的互作關(guān)系可能截然不同。
2混合侵染的互作機(jī)制研究進(jìn)展
2.1經(jīng)RNA沉默抑制子互作
在病毒與寄主植物長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程中，寄主植物為應(yīng)對(duì)病毒侵染，在細(xì)胞、組織和植株整體水平上形成了多種不同的防御機(jī)制。其中，基因沉默（gene silencing）是植物最重要的抗病毒防衛(wèi)機(jī)制之一[33]。與之對(duì)應(yīng)的，病毒通過(guò)編碼多種毒力因子，以抑制基因沉默[34-35]，從而侵染寄主，建立侵染循環(huán)完成其生活史。病毒編碼的這種不同類型的、具有沉默抑制效應(yīng)的毒力因子，被稱作RNA沉默抑制子（RNA silencing suppressors，RSSs）[36]。目前研究人員認(rèn)為，病毒間協(xié)同侵染效應(yīng)的機(jī)制，主要通過(guò)病毒編碼的RSSs來(lái)完成[6，14，29，37]。
基因沉默的途徑包含幾個(gè)過(guò)程，目前的研究證明不同種類病毒混合侵染時(shí)編碼的RSSs可以分別特異性結(jié)合基因沉默的不同過(guò)程。在馬鈴薯Y病毒屬病毒與其他病毒混合侵染發(fā)生時(shí)，由馬鈴薯Y病毒屬病毒編碼的輔助成分蛋白酶（helper component-proteinase，HC-Pro）具有抑制轉(zhuǎn)錄后基因沉默的功能（posttranscriptional gene silencing，PTGS）[29，38]。除了抑制PTGS，TuMV編碼的HC-Pro還能夠干擾micro-RNA（miRNA）介導(dǎo)的mRNA剪輯[39]。不同馬鈴薯Y病毒屬病毒編碼的HC-Pro抑制基因沉默的效果不同，相較于TuMV和三葉草黃脈病毒（clover yellow vein virus，ClYVV）編碼的HC-Pro，PVY編碼的HC-Pro能夠更有效地增加CMV的濃度[40]。除了HC-Pro具有RSSs功能外，最近的研究發(fā)現(xiàn)，在禾本科花葉病毒屬（Poacevirus）的典型種TriMV中，P1蛋白作為RSSs抑制基因沉默。在WSMV與TriMV混合侵染小麥時(shí)，TriMV的P1蛋白具有抑制基因沉默的作用;與PVX混合侵染本生煙時(shí)，P1蛋白也能夠促進(jìn)PVX含量的積累[6，13，37]。
2.2經(jīng)病毒介體傳播互作
混合侵染的協(xié)同效應(yīng)除了通過(guò)病毒編碼的RSSs外，還與病毒的介體傳播過(guò)程相關(guān)。幽影病毒屬（Umbravirus）病毒與黃癥病毒科（Luteoviridae）病毒的混合侵染過(guò)程清晰地揭示了這一機(jī)制[30]。幽影病毒屬病毒缺乏編碼外殼蛋白的遺傳信息，單獨(dú)侵染時(shí)無(wú)法通過(guò)蚜蟲傳播，與黃癥病毒科病毒混合侵染時(shí)，黃癥病毒科病毒作為一種輔助病毒能夠編碼外殼蛋白，并包被幽影病毒屬病毒的基因組，進(jìn)而可被蚜蟲獲取傳播[3，30]。在撒哈拉以南的非洲地區(qū)，花生叢簇病是花生上的一種毀滅性病害，該病害由幽影病毒屬的花生叢簇病毒（groundnut rosette virus，GRV）和其屬于黃癥病毒科的輔助病毒花生叢簇相關(guān)病毒（groundnut rosette assistor virus，GRAV）以及GRV的衛(wèi)星RNA（satRNA）構(gòu)成的病原復(fù)合體引起。GRV和GRAV在花生植株中獨(dú)立地復(fù)制，并進(jìn)行細(xì)胞間轉(zhuǎn)運(yùn)和植株體內(nèi)的長(zhǎng)距離運(yùn)輸，satRNA的復(fù)制依賴于GRV的RNA基因組。自然條件下，只有這3個(gè)病毒因子同時(shí)侵染花生時(shí)，才能引起嚴(yán)重癥狀。GRV及其satRNA經(jīng)GRAV編碼的外殼蛋白包被，然后通過(guò)蚜蟲進(jìn)行傳播[3，30]。另外一種形式的病毒協(xié)同介體傳播機(jī)制由馬鈴薯Y病毒屬編碼的HC-Pro蛋白完成[29，41]。馬鈴薯Y病毒屬病毒編碼的HC-Pro蛋白能夠作為一個(gè)橋梁，一側(cè)結(jié)合病毒粒體，一側(cè)結(jié)合蚜蟲口針內(nèi)表皮，從而達(dá)到蚜傳的目的。在混合侵染中，一個(gè)病毒編碼的HC-Pro能夠促進(jìn)另外一種HC-Pro缺陷型病毒或者非相關(guān)病毒的蚜蟲傳播[3，42]。
2.3經(jīng)病毒sRNA互作
近年來(lái)，隨著高通量技術(shù)的發(fā)展，在小RNA（small RNA，sRNA）水平上探討病毒混合侵染的機(jī)制成為可能。Tatineni等通過(guò)對(duì)WSMV與TriMV混合侵染的小麥的高通量測(cè)序結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在混合侵染的植株體內(nèi)，積累了大量的由病毒產(chǎn)生的小RNA分子（virus-derived small interfering RNAs，vsiRNA）[13]。這一結(jié)果證明，混合侵染過(guò)程中產(chǎn)生的沉默抑制子并不能抑制vsiRNA的形成，即WSMV與TriMV的協(xié)同效應(yīng)與vsiRNA介導(dǎo)的基因沉默無(wú)關(guān)。Xia等發(fā)現(xiàn)，玉米褪綠斑駁病毒（maize chlorotic mottle virus，MCMV）和SCMV協(xié)同侵染玉米時(shí)，感病玉米植株內(nèi)來(lái)源于MCMV的vsiRNA顯著增加，且玉米植株DCLs和AGOs RNAs的含量與vsiRNA的量具有一定的相關(guān)關(guān)系[43]，首次從vsiRNA的角度闡述了MCMV和SCMV協(xié)同侵染的致病機(jī)制。
3進(jìn)化博弈論在病毒混合侵染中的應(yīng)用
在混合侵染的2種病毒中，其中任一病毒種群都能夠改變寄主的微環(huán)境，成為另外一種病毒種群的適合度景觀（the fitness landscape）因素[5，12]。因此，在混合侵染中，任一病毒成功侵染寄主不僅需要該病毒與寄主植物的相互適應(yīng)，還取決于該病毒與其共侵染病毒的互作機(jī)制[5，12]。病毒混合侵染的現(xiàn)象符合生物演化博弈理論的模型，能夠根據(jù)博弈理論在數(shù)學(xué)框架內(nèi)進(jìn)行分析[44-45]。在演化博弈理論框架下，病毒選擇的演化策略由其遺傳特征決定，病毒的適合度（fitness）則表現(xiàn)為演化博弈的收益（payoff），收益取決于2種病毒所選策略的相互作用。表1中顯示了博弈雙方（Player與Opponent），在它們選取的策略（A與B）相互作用下的支付矩陣。在該表中，a、b、c與d代表博弈雙方分別選擇不同策略時(shí)的適合度，比如Player A與Opponent A互作時(shí)，Player A的適合度為a，而與Opponent B互作時(shí)，Player A的適合度為b;類似地，Player B分別與Opponent A和B互作時(shí)，適合度分別為c與d。在一個(gè)群體中，當(dāng)其成員進(jìn)行隨機(jī)配對(duì)博弈時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生4種結(jié)果：當(dāng)a>c且b>d時(shí)，Player A主導(dǎo)博弈過(guò)程;反之，當(dāng)a
病毒混合侵染現(xiàn)象是解釋進(jìn)化博弈理論的天然模型，而通過(guò)進(jìn)化博弈理論研究病毒的混合侵染對(duì)揭示病毒互作機(jī)制、探索寄主種類、寄主生長(zhǎng)發(fā)育期對(duì)混合侵染病毒進(jìn)化過(guò)程的影響以及推測(cè)混合侵染病毒的進(jìn)化方向具有十分重要的意義。
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