植物病毒混合侵染研究進展
2019-01-03 02:05:58賀振甘海峰陳雯
江蘇農(nóng)業(yè)科學 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存在的一種普遍現(xiàn)象，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來嚴重威脅，并常造成重大的經(jīng)濟損失。目前，已報道了多種病毒混合侵染的相關研究。本文綜述了近年來對植物病毒混合侵染現(xiàn)象以及內(nèi)在機制的研究現(xiàn)狀，從基因沉默抑制子、小RNA、進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)。
關鍵詞：植物病毒;混合侵染;基因沉默抑制子;進化博弈
中圖分類號： S432.4+1文獻標志碼： A
文章編號：1002-1302（2019）21-0060-03
收稿日期：2018-07-26
基金項目：國家自然科學基金（編號：31601604）;中央本級重大增減支項目（編號：2060302）;云南省甘蔗遺傳改良重點實驗室開放課題（編號：2018DG018-1）;農(nóng)業(yè)農(nóng)村部熱帶作物生物學與遺傳資源利用重點實驗室開放課題（編號：1630052019001）。
作者簡介：賀振（1987—），男，山東臨沂人，博士，副教授，研究方向為植物病毒學。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)帶來嚴重威脅，并常造成重大的經(jīng)濟損失[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]、細胞定位[11]以及濃度[4，10，12-13]等性狀特征。因此，對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、作用機制以及進化博弈論在病毒混合侵染中的應用3個方面進行綜述。
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，單獨侵染煙草時，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，癥狀明顯加劇，PVX的累積量比單獨侵染時提高了10倍[15]。近年來，報道了大量的病毒混合侵染引起作物嚴重損失的研究，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，TuMV粒體含量的積累增加，而CaMV的濃度降低，與單獨侵染相比，混合侵染時癥狀變化不明顯[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，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，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];而在我國云南蔗區(qū)和國家甘蔗種質(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個或者更多病毒同時或者在短時間內(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，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，病毒間的拮抗作用可以表現(xiàn)為互斥（mutual exclusion）或者交叉保護（cross-protection）[3-5]。協(xié)生作用是指2種病毒混合侵染時，利于2種病毒或者至少其中1種病毒在寄主體內(nèi)復制增殖、濃度積累，通常能夠引起寄主植物表現(xiàn)出比2種病毒癥狀的簡單疊加效應更嚴重的癥狀表現(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，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，相同2種病毒混合侵染不同寄主時，2種病毒間的互作關系可能截然不同。
2混合侵染的互作機制研究進展
2.1經(jīng)RNA沉默抑制子互作
在病毒與寄主植物長期的進化過程中，寄主植物為應對病毒侵染，在細胞、組織和植株整體水平上形成了多種不同的防御機制。其中，基因沉默（gene silencing）是植物最重要的抗病毒防衛(wèi)機制之一[33]。與之對應的，病毒通過編碼多種毒力因子，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]。目前研究人員認為，病毒間協(xié)同侵染效應的機制，主要通過病毒編碼的RSSs來完成[6，14，29，37]。
基因沉默的途徑包含幾個過程，目前的研究證明不同種類病毒混合侵染時編碼的RSSs可以分別特異性結合基因沉默的不同過程。在馬鈴薯Y病毒屬病毒與其他病毒混合侵染發(fā)生時，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，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，P1蛋白也能夠促進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)同效應除了通過病毒編碼的RSSs外，還與病毒的介體傳播過程相關。幽影病毒屬（Umbravirus）病毒與黃癥病毒科（Luteoviridae）病毒的混合侵染過程清晰地揭示了這一機制[30]。幽影病毒屬病毒缺乏編碼外殼蛋白的遺傳信息，單獨侵染時無法通過蚜蟲傳播，與黃癥病毒科病毒混合侵染時，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病毒（groundnut rosette assistor virus，GRAV）以及GRV的衛(wèi)星RNA（satRNA）構成的病原復合體引起。GRV和GRAV在花生植株中獨立地復制，并進行細胞間轉運和植株體內(nèi)的長距離運輸，satRNA的復制依賴于GRV的RNA基因組。自然條件下，只有這3個病毒因子同時侵染花生時，才能引起嚴重癥狀。GRV及其satRNA經(jīng)GRAV編碼的外殼蛋白包被，然后通過蚜蟲進行傳播[3，30]。另外一種形式的病毒協(xié)同介體傳播機制由馬鈴薯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蛋白能夠作為一個橋梁，一側結合病毒粒體，一側結合蚜蟲口針內(nèi)表皮，從而達到蚜傳的目的。在混合侵染中，一個病毒編碼的HC-Pro能夠促進另外一種HC-Pro缺陷型病毒或者非相關病毒的蚜蟲傳播[3，42]。
2.3經(jīng)病毒sRNA互作
近年來，隨著高通量技術的發(fā)展，在小RNA（small RNA，sRNA）水平上探討病毒混合侵染的機制成為可能。Tatineni等通過對WSMV與TriMV混合侵染的小麥的高通量測序結果發(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]。這一結果證明，混合侵染過程中產(chǎn)生的沉默抑制子并不能抑制vsiRNA的形成，即WSMV與TriMV的協(xié)同效應與vsiRNA介導的基因沉默無關。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，感病玉米植株內(nèi)來源于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關系[43]，首次從vsiRNA的角度闡述了MCMV和SCMV協(xié)同侵染的致病機制。
3進化博弈論在病毒混合侵染中的應用
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，還取決于該病毒與其共侵染病毒的互作機制[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)學框架內(nèi)進行分析[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的適合度，比如Player A與Opponent A互作時，Player A的適合度為a，而與Opponent B互作時，Player A的適合度為b;類似地，Player B分別與Opponent A和B互作時，適合度分別為c與d。在一個群體中，當其成員進行隨機配對博弈時，可能會產(chǎn)生4種結果：當a>c且b>d時，Player A主導博弈過程;反之，當a
病毒混合侵染現(xiàn)象是解釋進化博弈理論的天然模型，而通過進化博弈理論研究病毒的混合侵染對揭示病毒互作機制、探索寄主種類、寄主生長發(fā)育期對混合侵染病毒進化過程的影響以及推測混合侵染病毒的進化方向具有十分重要的意義。
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