我国植物病毒学的研究现状及发展策略

李大伟

(中国农业大学生物学院农业生物技术国家重点实验室,北京 100193)

植物病毒作为重要的病原物,在全世界范围内引起农作物严重的病害,其引起的病害数量占植物病害的第2位。以水稻条纹叶枯病和小麦黄花叶病为例,水稻条纹叶枯病广泛分布在江苏、云南、福建、山东等18个省市,1999年以后在上述地区年发生面积在133万hm2以上,2004年在江苏、安徽、河南、山东、云南等省大流行,发病面积达333万hm2以上,其中仅江苏省发病面积即达157万hm2(占水稻总面积79%),发病率 50%以上的重病田 5 166.7 hm2,1 333.3 hm2绝收。小麦黄花叶病自上世纪70年代以来,广泛发生于我国长江中下游冬麦区的江苏、安徽、湖北、湖南、浙江、上海和江西,西南冬麦区的四川盆地,黄淮冬麦区的山东半岛、潍坊、临沂等东部沿海地区,以及河南信阳、南阳等南部地区,陕西渭河流域的关中平原。病害发生区的冬小麦播种面积约为1 087万hm2,其中病毒病的发病面积已达35%以上,一般造成减产30%～40%,重者达70%～80%,甚至绝收,并呈逐年加重和蔓延的趋势。由病毒病引发的诸多社会问题也时有所闻,给我国的社会稳定和农民增产增收带来了严重的负面影响。

植物病毒可通过多种途径传播,在自然界由灰飞虱、叶蝉、蚜虫等多种昆虫介体或土壤里的真菌和线虫传播。病毒病害的发生和流行涉及病毒-传毒介体-寄主植物三者之间的识别和相互作用以及适宜的环境条件等多种生物与非生物因素,加之缺乏有效的化学药剂,使得病毒病难以通过常规方法得以控制。

近年来,随着农业生产结构调整、品种更迭及气候变迁等,植物病毒病害的发生和发展规律也随之不断变化,甚至导致局部地区暴发成灾。国际贸易与国际交流的日益频繁,伴随而来的外来病毒入侵所造成的威胁也愈加严重,由此也产生了新的生态和经济安全问题。

根据国家中长期科技发展规划的要求,特别是针对粮食安全、生态安全中的重大科学和技术问题,十分有必要深入系统地开展植物病毒病害及其防治的基础研究和应用基础研究。

1 植物病毒学科领域的发展规律和研究特点

由于植物病毒的绝对寄生性,植物病毒病害及其防治与植物真菌和细菌病害及其防治有很大不同,本分支学科具有一些独特的发展规律和研究特点。

病毒是至今人们所知的在自然界最小的生物之一,其形态大小要借助电镜放大到几万甚至几十万倍才能观察得到。病毒具有严格的寄生性,必须在宿主细胞内才能生长繁殖。国际病毒分类委员会(ICTV)2005发表的第8次分类报告收录已知植物病毒确定种763个,暂定种279个,未归属病毒64个,未分类的病毒16个,总计1 122个,植物病毒不仅种类繁多,其基因组的构成也多样化,有dsDNA、ssDNA、dsRNA、ss(+)RNA 和 ss(-)RNA 等多种形式,其中RNA病毒占80%以上,这些都决定了对植物病毒认识和病毒病害防治的难度。植物病毒的基因组都比较小,多数在10 kb以下,因此很容易获得全基因组的完整信息。

20世纪对植物病毒学的研究主要集中在植物病理学领域,随着社会的发展和科学技术的进步,植物病毒与生物化学、生物物理学、免疫学、医药学等相关学科相互影响、相互渗透,尤其是生物化学、分子生物学、植物基因工程技术、信息科学等领域的飞速发展,以及新技术新方法的不断应用,病毒学发展焕然一新。研究手段也从细菌过滤器、电子显微镜、X射线衍射法、扫描投射电镜过渡到现代分子生物学技术的应用,如分子克隆、重组、体外表达,基因组学,蛋白组学等;这些方法的应用使得研究者对植物病毒的研究从形态、结构、组成及病毒核酸和蛋白质大分子的超微结构的观察,深入到近年来的对植物病毒基因组核苷酸序列的分析和氨基酸组成及结构功能上,进一步揭示了一些植物病毒的本质特征,使人们对植物病毒有了更深刻的认识,无论是在理论上还是在应用上都有了很大发展。

植物病毒病在农业生产上的发生和流行受多种因素的综合影响,除与病毒的株系类型及致病性分化有关外,还受寄主的抗性、传毒介体的种类以及环境条件影响。因此,要想有效地控制植物病毒的发生与流行,必须从病毒、寄主以及传毒介体等方面进行系统的研究。

在病毒方面,加强对国际贸易与国际交流中外来病毒的检测;明确我国主要经济植物上的主要病毒的种类及其分子变异;明确重要粮食作物上重要病毒病害的种类、地理分布、寄主范围、优势毒株的发生现状与变异趋势;建立我国重要作物上主要病毒鉴定诊断技术体系;与此同时,必须加强植物病毒学的基础研究,解析在病毒复制、运动及症状形成中起关键作用的基因及其作用方式;加强重要作物病毒与寄主相互作用的机理研究,深入探讨病毒蛋白、与其互作的寄主蛋白的结构和功能。

在寄主方面,明确我国主要粮食作物和重要经济作物主栽品种、主要后备品种以及重要育种材料等对主要病毒的抗性水平;阐明主要病毒病发生、流行的规律与特点;加强病毒-媒介昆虫-寄主三者之间相互作用以及重要病毒病害关键防控配套技术等研究工作。

2 近年来植物病毒学科领域的研究现状和研究动态

在中国整体科研实力迅猛增长的大背景下,植物病毒研究也呈现快速发展的态势,2004年以来在国际病毒学三大主流刊物Journal of Virology,Virology和Journal of General Virology上都发表了一批高质量的原创性研究论文,此外在Archives of Virology,Virus Gene等病毒学和植物病理学刊物上陆续报道一些在中国发现的新的植物病毒。据不完全统计,2004-2009年植物病毒学领域的中国本土科学家在病毒学及其相关学科专业顶级学术刊物Journal of Virology、PNAS、The Plant Journal、Plant Physiology上共发表影响因子大于5的原创性研究论文16篇,这反映了我国植物病毒学科研总体水平正在迅速提高,正在逐步步入良性循环的发展轨道。

在植物病毒基因的新功能发现方面,中科院微生物所方荣祥院士实验室鉴定了水稻黄矮病毒(RYSV)P3蛋白是其运动蛋白,这是首次在植物弹状病毒发现的运动蛋白[1]。浙江大学的周雪平实验室首次鉴定了水稻条纹病毒(RSV)的运动蛋白NSvc4,这是关于纤细病毒属(Tenuivirus)运动蛋白的首次报道[2]。北京大学李毅实验室报道了水稻矮缩病毒(RDV)的S6编码的蛋白Pns6能够定位于胞间连丝,并且参与细胞间的运动 ,从而证明它是一个运动蛋白[3]。他们实验室还报道了RDV的Pns10是植物 dsRNA病毒的基因沉默抑制子,并在dsRNA形成的上游发挥作用[4]。浙江大学的周雪平实验室发现番茄黄化曲叶中国病毒(TYLCCV)的病毒卫星DNAβ分子编码一个βC1蛋白,也是一个基因沉默抑制子。βC1蛋白定位于细胞核中,这种细胞核分布是症状发生以及沉默抑制所必需的[5]。

在病毒卫星的发现和致病性方面,中国农业大学于嘉林实验室首次发现了甜菜黑色焦枯病毒(BBSV)及其卫星RNA,证实了卫星RNA能够提高辅助病毒在寄主植物体内的复制与积累水平,加重病害的症状表现,并能促进辅助病毒的系统性侵染[6]。浙江大学的周雪平实验室发现云南省存在的25种番茄黄化曲叶中国病毒(T YLCCV)均含有病毒卫星DNA分子,病毒卫星DNAβ分子是在寄主产生曲叶症状所必需的[7]。

在植物病毒与寄主互作方面,北京大学李毅实验室发现RDV外壳蛋白P2与赤霉素合成的关键酶之一的贝壳杉烯氧化酶互作,使得被侵染植株中赤霉素含量下降,从而使植株变得矮小。该研究提示病毒可以通过其外壳蛋白来调控赤霉素的合成,但对病毒本身的侵染有何帮助,还不清楚[8]。中山大学和中科院遗传发育所谢旗实验室发现甜菜重曲顶病毒(BSCTV)C4蛋白在拟南芥中的过表达导致植物细胞的异常分化,泛素蛋白连接酶(E3)RING finger家族中的PKP能被C4诱导并可能通过调节细胞周期来影响BSCTV的侵染[9]。

在植物病毒开发与利用方面,浙江大学的周雪平实验室利用番茄黄化曲叶中国病毒(T YLCCV)建立了一个病毒卫星DNA介导的基因沉默(VIGS)系统[10]。

在抗病毒药物研究方面,中科院昆明植物研究所郝小江实验室和微生物所方荣祥实验室合作,首次发现双裂孕烷甾体glaucogenin C及其苷类化合物选择性地抑制正链RNA病毒,且对病毒宿主没有毒性,此类化合物有可能发展成为抗-正链RNA病毒新的一类抑制剂[11]。

近年来,基因沉默也是植物病毒学的研究热点之一。中科院微生物所郭惠珊实验室发现在植物体内瞬时表达的黄瓜花叶病毒(CMV)亚基因组能被RNA沉默途径所识别并造成位点特异的剪切。所以通过实验方法在病毒基因组上寻找siRNA-RISC有效进入的剪切热点,是利用amiRNA获得高效病毒抗性的一种既经济又有效的生物工程策略[12]。

在病毒的虫传机制方面,虽然大多数植物病毒需要通过昆虫宿主进行传播,但对于没有包膜的植物病毒是如何进入昆虫宿主进行起始侵染的还了解得很少。北京大学李毅实验室发现了水稻矮缩病毒(RDV)的P2蛋白具有和动物包膜病毒膜融合蛋白相类似的结构,实验表明P2蛋白在较低的pH条件下能够诱导昆虫细胞膜的融合。这一发现对于明确病毒如何侵染昆虫、在昆虫宿主体内复制的过程,对于病毒防治具有非常重要的意义[13]。

此外,近年来我国学者对植物病原真菌病毒的研究也取得明显进展。广西大学陈保善实验室和华中农业大学姜道宏实验室分别对寄生于栗疫病菌(Cryphonectria parasitica)和核盘菌(Sclerotinia sclerotiorum)中真菌病毒开展了深入的工作[14-15]。

从所发表的这些高水平的研究论文也可以看出：(1)科研机构的国际和国内合作性在逐渐增强;(2)上述15篇原创性植物病毒学研究论文只有中国科学院、北京大学、浙江大学和中国农业大学等少数几家单位,发表高水平论文的研究机构偏少;(3)我国科学家的工作虽被多次引用,但尚未在国际重要期刊上发表相关研究的综述文章,说明我国的植物病毒学的影响还比较小。

我国从事植物病毒的科学研究队伍比较雄厚,基础扎实,梯队结构合理。老一代植物病毒学家中有裘维蕃、田波、谢联辉3位中国科学院院士,仍工作在一线的有方荣祥院士,先后有7位从事(或者曾经主要从事)植物病毒学研究青年学者(王道文、周雪平、陈剑平、谢旗、李大伟、郭惠珊、刘玉乐)获得国家杰出青年科学基金的资助。国内有多所农业大学植保学院和综合性大学的生命科学学院、中国科学院和中国农科院等科研院所在植物病理学、生物化学与分子生物学、微生物等专业招收植物病毒学方向的博士和硕士研究生,估计每年培养研究生100名以上。

和20世纪80年代相比,中国植物病毒学的主要研究单位发生了很大的变化,一些有很好的植物病毒学研究基础的农业大学由于知名教授的退休、分子生物学技术发展缓慢等原因在国内外的影响力变小,而一些综合性大学和一些科研机构因为青年学者的加入也开始植物病毒的研究工作,并逐步成为植物病毒研究队伍的中坚力量。

3 未来5～10年植物病毒学科领域的发展布局、优先领域以及与其他学科交叉的重点方向

目前我国生命科学基础研究已经发展到由量到质、由跟踪向超前发展的重要转型时期,推动我国优势、特色和重要领域的纵深发展和重点跨越,是未来我国生命科学发展的重点。

在未来5～10年植物病毒学学科优先领域以及与其他学科交叉的重点方向应包括以下几个方面。

(1)明确主要经济作物重要病毒的种类、地理分布、分子变异及其致病性分化趋势,建立主要病毒分子鉴定的技术体系。同时,注意加强对国际贸易与国际交流中外来危险病毒的检疫、监测和预警系统研制等。

(2)农业生产上造成严重危害的植物病毒(尤其是在我国新发现的病毒)的基因组结构、基因的生物学功能及其表达调控机理的研究,阐明在病毒复制、运动及致病过程中起关键作用的基因及其作用方式。

(3)从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径。

(4)病毒-传毒介体-寄主植物三者之间相互识别和相互作用的分子机制及其生态调控的理论。

(5)主要病毒病发生、流行的规律与特点以及重要病毒病害关键防控配套技术。

(6)抗病毒资源发掘和种质创新,积极利用植物分子生物学的研究成果,分离植物抗病毒新基因。

(7)利用小RNA等的最新研究成果,开展抗病毒转基因新策略、新技术的探索,为抗病毒转基因作物新品种的培育提供强大的理论基础。

(8)新型的病毒诱导的基因沉默(VIGS)载体和植物病毒表达载体的构建,为植物基因功能验证和植物生物反应器提供新的工具。

(9)在植物病毒防治的应用基础方面,鼓励抗病毒药剂、调节剂的研制。

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