賴坤龍, 王海峰, 徐鐘天, 崔 娜,2

(1.福建農林大學植物保護學院,福建 福州 350002;2.北京惠吉圣唯生物科技有限公司，北京 100071)

水稻是全世界最重要的糧食作物,但其產量深受病蟲害影響.稻飛虱是水稻最主要的害蟲,其能夠消耗光合作用產物和傳播水稻病毒.在我國,稻飛虱每年的發(fā)生面積達0.25億hm2,可導致水稻減產25億kg[1].

在我國危害的稻飛虱主要有3種:灰飛虱(Laodelphaxstriatellus)、褐飛虱(Nilaparvatalugens)和白背飛虱(Sogatellafurcifera).灰飛虱對我國長江流域以北的稻區(qū)危害最為嚴重,是水稻條紋病毒(Ricestripevirus, RSV)和水稻黑條矮縮病毒(Riceblack-streakeddwarfvirus, RBSDV)的傳播介體[2].RSV引起的條紋葉枯病最早于1963年發(fā)生在我國江蘇[3],截至 2000年,該病已在江蘇、浙江和河南等地大范圍擴散[4-5];RBSDV于1963年在我國浙江省首次被發(fā)現(xiàn),之后主要在我國華北和華東水稻區(qū)發(fā)生,可導致水稻減產10%～40%[6].20世紀50年代以后,褐飛虱開始成為我國水稻上的主要害蟲[7],2005年在我國長江流域暴發(fā),引起水稻大面積倒伏[8].褐飛虱具有極強的季節(jié)性、遷飛性和繁殖能力,其大量暴發(fā)會導致稻株枯萎,產量劇降[9].其傳播的水稻齒葉矮縮病毒(Riceraggedstuntvirus, RRSV)最早于1976年在印度尼西亞和菲律賓被發(fā)現(xiàn)[10],目前該病害主要發(fā)生在我國的海南、福建、廣東、云南等地[11];褐飛虱傳播的水稻草矮病毒(Ricegrassystuntvirus, RGSV)于1963年在菲律賓首次被發(fā)現(xiàn)[12],隨后擴散至東亞、南亞和東南亞的許多國家和地區(qū),造成了巨大的糧食損失和經濟損失[13-14].白背飛虱主要危害我國南方稻區(qū)[15],是近年來我國發(fā)生嚴重的稻飛虱之一[16].白背飛虱傳播的南方水稻黑條矮縮病毒(Southernriceblack-streakeddwarfvirus, SRBSDV)于2001年首次在我國廣東省陽江市被發(fā)現(xiàn),隨后向臨近的幾個省份擴散,2010年該病的總發(fā)病面積約133萬hm2[17-20].

水稻病毒病的大量暴發(fā)一部分是由本地蟲源引起的,另一部分歸因于稻飛虱的長距離遷移[21],了解稻飛虱及其傳播的水稻病毒的特性是防控水稻病害不可或缺的理論基礎.本文綜述3種稻飛虱的基本特性及其介導的5種水稻病毒的基因功能和致病特征,重點介紹水稻病毒與稻飛虱的互作機制,總結病毒在稻飛虱體內的傳播路徑和傳播障礙,為深入研究稻飛虱與植物病毒的互作提供參考.

1 灰飛虱傳播RSV和RBSDV的研究進展

1.1 灰飛虱基本特征

灰飛虱屬于半翅目(Hemiptera)飛虱科(Dephacidae).灰飛虱的卵為橢圓形,上細下粗,長約1 mm,初期為乳白色,后期逐漸變?yōu)闇\黃色;若蟲分為5個齡期,體長1～3 mm,體色呈乳白色至灰褐色,腹部各節(jié)為白色環(huán)圈[22].灰飛虱可以分為短翅型、中翅型和長翅型,成蟲長翅型3.5～4.0 mm,短翅型2.3～2.5 mm(表1).灰飛虱不耐高溫,因此夏季不會造成種群暴發(fā),一般在8—9月,灰飛虱數(shù)量達到全年最多[23].

表1 3種飛虱的基本特征比較Table 1 Comparison of the basic characteristics of the 3 planthoppers

1.2 灰飛虱傳播RSV

1.2.1 RSV基因功能及致病癥狀 RSV引起的水稻條紋葉枯病對水稻的生產造成了嚴重的產量和經濟損失[25].水稻感染RSV后主要表現(xiàn)兩種癥狀:一種是展葉型,該癥狀典型特征是從心葉基部沿著葉脈呈現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的黃白色或黃綠色的條形病斑,心葉不卷曲,保持展葉正?；蚧菊?另一種是卷葉型,該癥狀的典型特征是水稻心葉褪綠,呈現(xiàn)弧圈狀下垂,發(fā)生后期心葉干枯而死[26-27].

RSV屬于白細病毒科(Phenuiviridae)纖細病毒屬(Tenuiviruses),為負義單鏈RNA病毒.在電鏡下,提純的RSV呈直徑為3 nm、長為500～2 000 nm的分支狀粒體.RSV包括4種纖細絲狀體,也稱為核糖核蛋白(ribonucleo protein, RNP),外層由核衣殼蛋白包裹.RSV的基因組由4條單鏈RNA組成[28]:RNA1編碼依賴RNA的RNA聚合酶(RdRp);RNA2編碼非結構蛋白NS2、NSvc2[29];RNA3編碼非結構蛋白NS3和結構蛋白NSvc3(CP);RNA4編碼非結構蛋白NS4(SP)、NSvc4. NS2和NS3被證實為病毒基因的沉默抑制子[30-31];結構蛋白NSvc3被稱為外殼蛋白,參與病毒粒子的構成以及RSV在灰飛虱中的侵染、復制和傳遞[32-33];SP蛋白為病害特異蛋白,有研究表明,其表達量與RSV引起的病害程度有關;NSvc4被鑒定為運動蛋白,參與RSV的運動[34];CP為致病相關蛋白,與SP共同參與RSV的致病過程[35].

1.2.2 灰飛虱與RSV的互作 RSV由灰飛虱以持久增殖型方式傳播,并經卵傳播,后代帶毒率達75%～100%[36].灰飛虱的獲毒時間為10～15 min,并且在飼毒2 d后獲毒率達到最高(表2).RSV進入灰飛虱體內會與灰飛虱產生互作.

表2 3種飛虱的病毒傳播特性比較Table 2 Comparison of virus transmission characteristics among the 3 planthoppers

互作的直接證據(jù)主要體現(xiàn)為蛋白之間的互作.灰飛虱卵黃蛋白(vitellogenin, Vg)的表達對RSV在其體內的運輸以及越冬傳播發(fā)揮了重要的作用,RSV的RNPs可以與Vg結合進入生殖細胞[33].Li et al[39]通過2-DE技術篩選了與RSV互作的5種灰飛虱蛋白,分別為RACK、GAPDH3、RPL5、RPL7a和RPL8;又通過酵母雙雜交系統(tǒng)(yeast two hybrid system, YTHs)和Far-western blotting技術發(fā)現(xiàn),RACK和GAPDH3與RSV核衣殼蛋白(nucleocapsid protein, NCP)無相互作用,而3種核糖體蛋白RPL5、RPL7a和RPL8與RSV有特異性互作;在Dot-Immunobinding Assay (DIBA)中,這5種蛋白均能與RSV顆粒結合,并且RACK和GAPDH3可能參與病毒顆粒的上皮胞吞作用.還有研究發(fā)現(xiàn),灰飛虱的9種蛋白直接與RSV核衣殼蛋白PC3互作,共同參與病毒的移動、復制和經卵傳播,其中一種新型角質層蛋白CPR1是RSV病媒傳播的關鍵蛋白,RNA干擾下調CPR1轉錄,導致血淋巴、唾液腺RSV濃度降低,使病毒傳播效率降低[40].灰飛虱26S蛋白酶體系在調節(jié)宿主對病原體的防御中起重要作用,通過酵母雙雜交(Y2H)分子試驗發(fā)現(xiàn),26S蛋白酶體的一個亞基RPN3可以與RSV的NS3蛋白互作,RSV通過劫持灰飛虱26S蛋白酶體,減弱宿主的防御反應[41].RSV的CP蛋白能夠與灰飛虱糖轉運蛋白LsST6互作和共定位,當LsST6表達降低時,病毒滴度和傳播效率均顯著降低,但病毒復制不會受影響[42].灰飛虱的c-Jun N-terminal kinase (JNK)信號通路也能夠響應植物病毒的感染,RSV可以提高灰飛虱腫瘤壞死因子-α水平,降低GPS2的水平,激活JNK信號通路,促進RSV在灰飛虱中的復制,而JNK信號通路的抑制則會顯著降低病毒的產生[43].Chen et al[44]發(fā)現(xiàn),灰飛虱非結構蛋白NS3與多酚氧化酶(prophenoloxidase, PPO)存在互作,NS3通過阻礙PPO蛋白水解抑制酚氧化酶(phenoloxidase, PO)活性,降低病毒在灰飛虱血淋巴中的穩(wěn)定性.

RSV與灰飛虱的互作間接體現(xiàn)在轉錄組和蛋白組等多組學測序結果上.轉錄組測序發(fā)現(xiàn),RSV的侵染能夠增加灰飛虱中一種神經酰胺酶LsnCer mRNA的表達與酶活性,其可能參與灰飛虱對環(huán)境的適應過程[45];在帶毒灰飛虱消化道中,參與溶酶體、消化和解毒的基因被激活,而與DNA復制和修復相關的基因被抑制,在唾液腺中,MAPK、mTOR、Wnt和TGF-beta信號通路被抑制[46].但也有研究發(fā)現(xiàn),帶毒/不帶毒灰飛虱包括Imd通路在內的眾多免疫通路保持不變[47].Liu et al[48]通過iTRAQ方法,分析有毒/無毒灰飛虱卵子的差異蛋白質組學特征,發(fā)現(xiàn)RSV侵染后有147個差異蛋白,其中包含與減數(shù)分裂和有絲分裂有關的蛋白,可導致孵化率降低和發(fā)育遲緩.RSV感染還可改變灰飛虱中各種鞘酯酶的轉錄水平和鞘酯的含量[49].

1.3 灰飛虱傳播RBSDV

1.3.1 RBSDV基因功能及致病癥狀 RBSDV侵染水稻后病株表現(xiàn)的癥狀為植株矮縮、葉色暗綠、莖稈和葉背上有短條狀乳白色瘤狀凸起,瘤狀凸起在后期會呈現(xiàn)黑褐色,結實不良[50].

RBSDV屬于呼腸孤病毒科(Reoviridae)斐濟病毒屬(Fijivirus),病毒粒體為直徑70～80 nm的等軸二十面體,具有雙層衣殼,并且成熟的病毒粒體無包膜.外層衣殼有12個稱之為A-spike的凸起,由于外殼不穩(wěn)定的特性,脫落后形成表面有12個B-spike凸起的亞病毒粒體.RBSDV的基因組含有10條雙鏈RNA,根據(jù)基因組片段大小命名為S1～S10[51],共編碼13種蛋白,包括6種結構蛋白(P1、P2、P3、P4、P8、P10)和7種非結構蛋白(P5-1、P5-2、P6、P7-1、P7-2、P9-1、P9-2).P6具有沉默抑制子功能[52],能夠自身互作且在植物細胞中形成點狀的類病毒原質結構,推測其為病毒原質的組分之一[53];P9-1是病毒原質的主要成分,參與病毒復制和子代病毒粒體裝配[54];P7-2具有誘導細胞凋亡的功能,可用于改善桿狀病毒的殺蟲效果和構建重組桿狀病毒[55];對于P7-1蛋白,早前有研究表明其在擬南芥中過量表達后,花藥不能開裂進而導致轉基因植株不能結實,但在水稻中并未發(fā)現(xiàn)P7-1基因過量表達造成不能結實的現(xiàn)象,通過免疫電鏡觀察到P7-1蛋白抗體標記在包裹病毒粒子的管狀結構上[56-57].

1.3.2 灰飛虱與RBSDV的互作 RBSDV由灰飛虱以持久增殖型方式傳播,但不經卵傳播[58].灰飛虱由吸食植物韌皮部汁液獲毒,最短獲毒時間為1 h;灰飛虱的傳毒與溫度有關,4～5 ℃不能傳毒,12～14 ℃開始傳毒,并且最短傳毒時間為1 min[37](表2).

灰飛虱與RBSDV互作的研究主要集中在RNA和蛋白兩個方面.Li et al[59]通過深度siRNA測序發(fā)現(xiàn),相比于RSV,RBSDV能夠引起灰飛虱體內更多的siRNA累積,暗示RBSDV可能會激活灰飛虱RNAi免疫通路;RBSDV的感染也能夠上調灰飛虱miRNA的表達[60].Y2H在RBSDV與灰飛虱的互作研究中被廣泛使用:徐秋芳等[61]將RBSDV的外殼蛋白P10作為Y2H的誘餌,從灰飛虱cDNA文庫中篩選到326個陽性克隆,共編碼14種互作蛋白,包括Actin1、TWDL1、GAPDH和RACK等,這些互作蛋白與病毒在灰飛虱體內的運動有關,參與病毒的胞吞胞吐作用以及膜融合和膜轉運過程;陳晴晴[62]利用病毒覆蓋的方法排除Y2H引起的假陽性,發(fā)現(xiàn)Actin、RACK、GAPDH3和HIPVCP3能與RBSDV粒體互作;另外,Lu et al[63]將RBSDV P10蛋白作為Y2H誘餌,篩選灰飛虱DNA文庫,獲得5個與P10互作的蛋白,分別為RACK1、CPT3、PLOD、prefoldin subunit 2-like protein和paxillin-like isoform 2,又通過Co-IP和體外試驗GST pull-down發(fā)現(xiàn),RBSDV P10能夠與灰飛虱活化蛋白激酶C1受體互作,從而抑制灰飛虱蛋白激酶C的活性,促進病毒的復制增殖.

2 褐飛虱傳播RRSV和RGSV的研究進展

2.1 褐飛虱基本特征

褐飛虱屬于半翅目飛虱科,為不完全變態(tài)昆蟲.卵期6～7 d,卵長約1 mm;若蟲期12～18 d,有5個齡期,體長1.1～2.7 mm;成蟲體長為3～5 mm,體色呈褐色并逐漸變深,雌蟲比雄蟲體型更大,顏色更淺,在后足第一跗節(jié)外側上有小刺[24](表1).

2.2 褐飛虱傳播RRSV

2.2.1 RRSV基因功能及致病癥狀 RRSV侵染水稻后病株表現(xiàn)的癥狀為植株矮小,葉緣缺刻呈鋸齒狀,葉尖卷曲,水稻分蘗前期發(fā)病會導致無法正常分蘗,分蘗后期發(fā)病會導致生長緩慢[64].

RRSV屬于呼腸孤病毒科水稻病毒屬(Oryzavirus),其病毒粒體具有雙層衣殼且呈球狀[65],直徑為75～80 nm,核心顆粒約為50 nm.外層衣殼上有A型刺突,A型凸起寬10～12 nm,長約8 nm,內層衣殼表面有B型凸起,二者相互連接[66].RRSV的基因組含有10條雙鏈RNA[67],至少編碼7種結構蛋白(P1、P2、P3、P4、P5、P8、P9)和3種非結構蛋白(Pns6、Pns7、Pns10)[68].呼腸孤病毒的增殖是在病毒原質中進行的,Pns6和Pns10是構成RRSV病毒原質的主要成分.在RRSV中,病毒原質是新合成的病毒RNA和子代單層核心粒子聚集在一起的球狀結構,完整的雙層病毒粒子聚集在它們的外圍[69].Pns6具有多種生物學功能,如結合核酸[70]、協(xié)助病毒在寄主中傳輸以及沉默抑制子[71].通過免疫熒光標記的方法發(fā)現(xiàn)，Pns10抗體隨著RRSV侵入天數(shù)的延長分別定位在載體上皮細胞、中腸表皮肌肉細胞,最終定位在唾液腺中形成的病毒原質中,表明RRSV編碼的Pns10是病毒原質基質的組分[72].

2.2.2 褐飛虱與RRSV的互作 RRSV由褐飛虱以持久增殖型方式傳播,但不能經卵傳播.最短獲毒時間為30 min,帶毒率約為40%;最短傳毒時間為30 min,傳毒率約為40%(表2);病毒在褐飛虱體內的平均循回期為10 d[11].

褐飛虱與RRSV互作的研究主要集中在RNA和蛋白兩個層面.RRSV侵染褐飛虱細胞后,細胞內RNAi途徑抗病毒相關基因Ago1、Ago2、Ago3、Dicer1、Dicer2等表達量上調,通過免疫熒光試驗發(fā)現(xiàn),siRNA途徑中Dicer2和Ago2基因的表達,能夠促進RRSV在介體細胞中侵染[73].劉成穩(wěn)[74]利用酵母雙雜交技術構建褐飛虱全蟲的酵母文庫,并從中篩選出與Pns10互作的ML(MD-2-related lipid-recognition)、SAM50、Calpain-7-like等11個介體蛋白;通過pull-down和RNAi技術驗證了Pns10與ML蛋白的互作,并猜想ML通過調控昆蟲TOLL免疫通路影響病毒的復制增殖.Huang et al[75]利用酵母雙雜交技術研究發(fā)現(xiàn)，RRSV非結構蛋白Pns10與寄主寡霉素敏感相關蛋白(oligomycin-sensitivity conferral protein,OSCP)存在相互作用,并通過GST融合蛋白沉降技術對該結果進行了驗證;同時,通過RNAi技術抑制OSCP基因表達,顯著降低了受RRSV侵染褐飛虱中的RRSV含量.

2.3 褐飛虱傳播RGSV

2.3.1 RGSV基因功能及致病癥狀 RGSV侵染水稻后病株表現(xiàn)的癥狀為葉片變黃變窄且有許多形狀不規(guī)則的褐色銹斑,植株生長發(fā)育遲緩,分蘗數(shù)明顯增多[76].

RGSV是白細病毒科纖細病毒屬成員,在電鏡下,提純的RGSV病毒粒體是直徑為6～8 nm的線狀或長分絲狀粒體[77].RGSV基因組由6條RNA片段組成,分別命名為RNA1～RNA6,共編碼12個開放閱讀框,均采用雙義編碼方式[78].RGSV的RNA1、RNA2、RNA5和RNA6與同屬的RSV的RNA1、RNA2、RNA3和RNA4相似.目前,只有少數(shù)蛋白質的功能被確定[78]:由viral complementary RNA1(vcRNA1)編碼的pc1蛋白被認為是RNA依賴的RNA聚合酶[79];分別由viral RNA5(vRNA5)和vRNA2編碼的P2和P5蛋白被鑒定為RNA沉默的RGSV抑制因子[80-81];由vcRNA5編碼的pc5蛋白是核衣殼蛋白[82];由vcRNA6編碼的pc6蛋白在病毒胞間運動過程中發(fā)揮作用[83].

2.3.2 褐飛虱與RGSV的互作 目前還未見褐飛虱與RGSV體內互作的相關報道.Chomchan et al[84]發(fā)現(xiàn),在RGSV感染的水稻葉片上生長的褐飛虱若蟲中,只有20%的昆蟲攜帶N蛋白(nucleocapsid protein)，并且從其中檢查到了大量的P5蛋白,推測P5可能在植物和昆蟲宿主的病毒感染中發(fā)揮重要的作用 .孫付森[85]從病毒-介體昆蟲-寄主植物三者互作的角度進行研究發(fā)現(xiàn),水稻受RGSV侵染后釋放的揮發(fā)物會影響褐飛虱的選擇行為反應,如半蔽稀類物質柏木烯對褐飛虱有趨避作用,然而其衍生物倍半萌醇雪松醇卻對褐飛虱具有明顯的引誘作用.

3 白背飛虱傳播SRBSDV的研究進展

3.1 白背飛虱基本特征

白背飛虱屬于半翅目飛虱科,為不完全變態(tài)昆蟲.成蟲分為長翅型和短翅型兩種:長翅型體長為4～5 mm,呈灰黃色,頭頂略狹窄;短翅型雌蟲體長約為4 mm,呈灰黃色至淡黃色.白背飛虱完成一個世代周期的時間受溫度、地理位置等因素的影響,平均世代周期為30 d[15-16](表1).

3.2 白背飛虱傳播SRBSDV

3.2.1 SRBSDV基因功能及致病癥狀 水稻在各生育期均可感染SRBSDV.SRBSDV在秧苗期和本田初期侵染水稻會導致植株矮縮,受害嚴重者甚至會早枯死亡;水稻分蘗期和拔節(jié)期被侵染后無明顯矮縮現(xiàn)象,抽穗少且小,實粒少且輕.發(fā)病植株葉色濃綠,莖稈有白色瘤狀凸起,根系不發(fā)達,須根少而短[86].

SRBSDV屬呼腸孤病毒科斐濟病毒屬,其病毒粒體是直徑為75～80 nm的正二十面體,具有雙層衣殼,無包膜,且比大多數(shù)植物病毒的個體要大[87].SRBSDV的基因組由10條雙鏈RNA組成,Wang et al[88]成功測定出SRBSDV的全基因組序列,發(fā)現(xiàn)SRBSDV與RBSDV基因組序列同源性高達60%～85%;SRBSDV共編碼13種蛋白,包括6種結構蛋白(P1、P2、P3、P4、P8、P10)和7種非結構蛋白(P5-1、P5-2、P6、P7-1、P7-2、P9-1、P9-2).結構蛋白P1為病毒RNA依賴的RNA聚合酶;P2為病毒內核的組分;P3為帽子酶;P4為病毒外殼的B刺突蛋白[89-91；非結構蛋白P5-1是病毒原質的組分,呈絲狀結構分布,參與病毒粒體的復制與裝配;P6會與P5-1發(fā)生互作,具有沉默抑制子功能,有研究表明P6蛋白可以通過免疫膠體金技術在病毒原質中,因此推測其參與病毒原質的形成[92];P7-1可以在非寄主細胞內獨立裝配形成小管結構,并參與病毒的擴散[93];P9-1是病毒原質的組分,與病毒的復制有關[94].

3.2.2 白背飛虱與SRBSDV的互作 SRBSDV是由白背飛虱以持久增殖型方式傳播的,成蟲和若蟲均能高效傳毒,但該病毒不能經卵傳播.白背飛虱隨著齡期的增長,最短獲毒時間逐漸降低:初孵若蟲為11～19 min,3齡若蟲為6～12 min,5齡若蟲為3～9 min,成蟲為2～8 min[38].長翅型成蟲獲毒時間為5～12 min,短翅型成蟲為6～12 min[95](表2).SRBSDV在白背飛虱體內的循回期為6～14 d[96].

SRBSDV侵染白背飛虱會改變其取食行為,帶有SRBSDV的白背飛虱刺探韌皮部的頻率和時間都會增加[97-98];SRBSDV也會影響白背飛虱的發(fā)育與繁殖,還可能影響飛虱壽命[99];與未攜帶SRBSDV的白背飛虱相比,攜帶SRBSDV的白背飛虱分泌的蜜露中糖濃度更高[100].蘭漢紅等[101]以白背飛虱培養(yǎng)細胞為研究對象,干擾其RNAi途徑中的Dicer2和Ago2基因的表達,提高了SRBSDV的侵染率和積累量,同時造成攜毒飛虱存活率下降.SRBSDV在介體內傳播依賴小管結構,而小管結構的形成依賴SRBSDV編碼的P7-1,小管能與白背飛虱細胞內的肌動蛋白纖維互作,形成病毒在細胞間傳播的橋梁[102];P7-1蛋白還能與白背飛虱的神經質蛋白、肌球蛋白輕鏈、核糖體結合蛋白、E3泛素-蛋白連接酶、多聚泛素和前纖維蛋白發(fā)生互作,參與病毒在介體內的運動和克服傳播障礙[103].Than[104]采用酵母雙雜交技術,結合pull-down技術進行驗證,發(fā)現(xiàn)與白背飛虱外殼蛋白P10互作的3種蛋白,即VAMP7、Vtila和Ghitm,三者共同參與病毒在介體中的傳播;再利用RT-qPCR對3種互作蛋白進行轉錄水平的分析,發(fā)現(xiàn)VAMP7與Ghitm在雄飛虱中表達更加豐富,而Vtila在雌飛虱中表達更顯著.馬思琦[105]采用同樣的技術研究發(fā)現(xiàn)與SRBSDV P5-1互作的2個蛋白——核糖蛋白和烯醇酶.安興奎[106]對感染SRBSDV的白背飛虱的唾液腺轉錄組進行分析,發(fā)現(xiàn)89個基因的表達水平發(fā)生了改變,如卵黃蛋白原下調,而氣味結合蛋白則上調.以中腸cDNA文庫為篩選對象,在酵母Y2HGold細胞內獲得5個可能與P6蛋白互作的介體蛋白,分別為BRD、SUCLSB、RPSA、TOLIP和STAM1,主要參與基因的轉錄、翻譯及翻譯后的修飾和蛋白質合成的過程[107].

4 病毒在稻飛虱體內的侵染途徑及屏障

中腸、唾液腺和卵巢是病毒在稻飛虱體內的3個主要傳輸屏障(圖1).飛虱的腸道被內臟肌肉纖維包圍,由一層上皮細胞組成,腸腔內側有微絨毛,外側有基底層.上皮細胞是通過細胞間連接復合物連接而成的,這可能是防止微生物傳染的物理屏障.病毒一旦被攝入,飛虱就會在腸道上皮細胞中形成原始感染,但是只有數(shù)量有限的上皮細胞含有病毒識別的受體,這些受體位于微絨毛膜供病毒粒子接觸.然而,即使在最初被感染的上皮細胞中,入侵的病毒也能夠形成病毒基質,成為病毒增殖的場所.子代病毒直接從最初感染的腸道上皮細胞基底層進入內臟肌肉或穿過細胞間連接復合物進行細胞間的病毒傳播.隨后,病毒從內臟肌肉傳播到血淋巴,最后進入唾液腺水平傳輸給健康植物或進入雌性卵巢垂直傳播給后代.

藍色箭頭表示病毒感染的路線. 病毒經稻飛虱從病株中攝取后,最初感染腸道上皮細胞,后穿過基底層進入中腸內臟肌肉,再從內臟細胞傳輸?shù)窖馨?然后進入唾液腺或雌蟲的卵巢.水稻病毒在稻飛虱中的傳播障礙有中腸、唾液腺、卵巢.圖片修改自參考文獻[108].圖1 病毒在稻飛虱體內的感染途徑Fig.1 Pathway of virus infection in rice planthopper

4.1 中腸傳播

中腸作為病毒侵染的第一道障礙,一直被認為是昆蟲媒介傳播病毒能力的主要決定因素.然而,有關植物病毒在昆蟲中腸持續(xù)感染的分子機制的研究甚少.有研究表明,持久增殖型病毒利用病毒包涵體促進自身在昆蟲中腸的傳播[109].水稻呼腸孤病毒利用由病毒非結構蛋白構成的管狀結構進行傳播,如SRBSDV使用P7-1小管直接通過最初感染的腸道上皮細胞基底進入環(huán)形肌肉細胞,最終進入血淋巴.除了昆蟲體內的物理屏障之外,幾種抗病毒途徑也可調節(jié)植物病毒在昆蟲載體中的持續(xù)傳播.siRNA的抗病毒途徑能夠響應植物病毒在昆蟲媒介中的傳播[110].siRNA抗病毒途徑已被證明可以有效地限制SRBSDV的積累.Wang et al[43]發(fā)現(xiàn)RSV的外殼蛋白可激活灰飛虱載體的 JNK通路以促進其復制.病毒從內臟肌肉細胞傳播到血淋巴后,表皮蛋白與RSV的外衣殼蛋白相互作用,防止昆蟲免疫系統(tǒng)降解病毒顆粒[40].Lu et al[111]發(fā)現(xiàn),RSV非結構糖蛋白NSvc2能夠幫助RSV克服中腸障礙,并且在缺少NSvc2的情況下,RSV不能進入灰飛虱中腸.因此推斷在病毒克服中腸障礙的能力和昆蟲媒介控制病毒傳播的能力之間存在一種亞穩(wěn)態(tài)平衡,從而使病毒在自然界中持久和高效率地傳播[112].

4.2 唾液腺傳播

昆蟲唾液腺分為主腺和附腺.主腺被認為在病毒的傳播中起著至關重要的作用[113-115].唾液腺細胞充滿有微絨毛的管道,這是病毒傳播的最后一層膜屏障[116].RRSV、RBSDV和SRBSDV 3種水稻呼腸孤病毒能夠誘導大量小管通過微絨毛進入管腔,從而促進病毒釋放進入管腔,最終通過唾液從管腔流出.RSV是如何克服唾液腺障礙的,尚未見相關報道.

4.3 卵巢傳播

一些病毒可通過母本垂直傳播給后代.但目前這種經卵傳播的機制尚不清楚.病毒須通過濾泡細胞進入卵母細胞才能成功傳播給后代,但研究表明,病毒本身無法進入卵母細胞,只能依賴特定途徑進入卵母細胞.例如:RSV通過外殼蛋白與昆蟲卵黃蛋白(Vg)特異性相互作用,克服垂直傳播障礙[33];同屬水稻呼腸孤病毒屬的水稻矮縮病毒(Ricedwarfvirus, RDV)能附著在細菌共生體Sulcia的外膜上,形成內陷或被膜包被的囊泡,進入卵母細胞.這種病毒-細菌結合是由病毒外殼蛋白與Sulcia外膜蛋白的特異性相互作用介導的[117].有關RRSV、RBSDV及SRBSDV如何克服垂直傳播障礙,尚未見報道.微生物在自然界中普遍存在[118],病毒-細菌互作模式可能是一種常見現(xiàn)象,對今后研究其他幾種病毒垂直傳播機制提供了方向.

5 結論與展望

稻飛虱是一類重要的水稻病毒傳播介體,主要包括灰飛虱、褐飛虱和白背飛虱,其傳播的水稻病毒RSV、RBSDV、RRSV、RGSV和SRBSDV嚴重威脅著水稻的生產.有關稻飛虱傳播水稻病毒機制的研究已取得一定進展:病毒誘導的內含物能夠克服水平傳播的障礙;卵黃蛋白原或共生菌能夠克服垂直傳播障礙;病毒和昆蟲之間存在一種明顯的平衡,持久增殖型病毒的感染可以激活某些細胞調控途徑,如自噬、凋亡、siRNA抗病毒途徑或c-JunN末端激酶途徑,進而調節(jié)飛虱傳播病毒的能力.

新技術的發(fā)展將提供更多的方法揭示媒介飛虱傳播病毒的分子機制.例如,3種稻飛虱全基因組的獲得,為飛虱基因的功能分析提供了資源.基于CRISPR/Cas9的基因編輯技術也已在飛虱中有所應用,將為深入探究飛虱傳毒的相關基因功能提供有力工具.

病毒、昆蟲、昆蟲共生菌和植物之間的相互作用是未來研究的重要課題,這種更深層次的研究有利于設計新的病蟲害控制策略,這個多重相互作用系統(tǒng)中的一些難題是今后值得探索的領域.例如:病毒如何調整稻飛虱對宿主植物的適應度,以利于病毒在田間的傳播;病毒與稻飛虱共生菌是否存在協(xié)同關系;在病毒傳播過程中,稻飛虱共生菌的貢獻及其是否可以用來控制病毒.