李大偉

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)國(guó)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(gè)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(guó)長(zhǎng)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(yáng)、南陽(yáng)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(shì)。由病毒病引發(fā)的諸多社會(huì)問題也時(shí)有所聞,給我國(guó)的社會(huì)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(shí)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(guó)際貿(mào)易與國(guó)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(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃的要求,特別是針對(duì)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(duì)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(zhǎng)繁殖。國(guó)際病毒分類委員會(huì)(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(gè),暫定種279個(gè),未歸屬病毒64個(gè),未分類的病毒16個(gè),總計(jì)1 122個(gè),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(duì)植物病毒認(rèn)識(shí)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(duì)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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)植物病毒有了更深刻的認(rèn)識(shí),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(duì)國(guó)際貿(mào)易與國(guó)際交流中外來病毒的檢測(cè);明確我國(guó)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(shì)毒株的發(fā)生現(xiàn)狀與變異趨勢(shì);建立我國(guó)重要作物上主要病毒鑒定診斷技術(shù)體系;與此同時(shí),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(dòng)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(guó)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(duì)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(dòng)態(tài)

在中國(guó)整體科研實(shí)力迅猛增長(zhǎng)的大背景下,植物病毒研究也呈現(xiàn)快速發(fā)展的態(tài)勢(shì),2004年以來在國(guó)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(guó)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(guó)本土科學(xué)家在病毒學(xué)及其相關(guān)學(xué)科專業(yè)頂級(jí)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(guó)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(dòng)蛋白,這是首次在植物彈狀病毒發(fā)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)蛋白NSvc4,這是關(guān)于纖細(xì)病毒屬(Tenuivirus)運(yùn)動(dòng)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(dòng) ,從而證明它是一個(gè)運(yùn)動(dòng)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(guó)病毒(TYLCCV)的病毒衛(wèi)星DNAβ分子編碼一個(gè)βC1蛋白,也是一個(gè)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(guó)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(guó)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(duì)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(guó)病毒(T YLCCV)建立了一個(gè)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(duì)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(shí)表達(dá)的黃瓜花葉病毒(CMV)亞基因組能被RNA沉默途徑所識(shí)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(duì)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(dòng)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(duì)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(duì)于病毒防治具有非常重要的意義[13]。

此外,近年來我國(guó)學(xué)者對(duì)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(duì)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(guó)際和國(guó)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(guó)科學(xué)院、北京大學(xué)、浙江大學(xué)和中國(guó)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(guó)科學(xué)家的工作雖被多次引用,但尚未在國(guó)際重要期刊上發(fā)表相關(guān)研究的綜述文章,說明我國(guó)的植物病毒學(xué)的影響還比較小。

我國(guó)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(guó)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(guó)家杰出青年科學(xué)基金的資助。國(guó)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(guó)科學(xué)院和中國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(shí)期,推動(dòng)我國(guó)優(yōu)勢(shì)、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(guó)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(gè)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(shì),建立主要病毒分子鑒定的技術(shù)體系。同時(shí),注意加強(qiáng)對(duì)國(guó)際貿(mào)易與國(guó)際交流中外來危險(xiǎn)病毒的檢疫、監(jiān)測(cè)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(guó)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(dòng)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(shí)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(lì)抗病毒藥劑、調(diào)節(jié)劑的研制。

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