張莉娟 林垠孚 吳鳳 李今朝 農(nóng)耀京

摘 要：馬鈴薯Y病毒屬病毒是世界范圍內(nèi)影響范圍廣、危害嚴(yán)重并造成重大經(jīng)濟(jì)損失的病毒屬之一，侵染的物種主要有茄科、豆科、藜科等農(nóng)作物和經(jīng)濟(jì)作物。本研究綜述了近年來關(guān)于馬鈴薯Y病毒屬病毒的致病機(jī)理和植物對抗此類病毒的抗性機(jī)制，為更好的理解和防控馬鈴薯Y病毒屬病毒提供理論參考。

關(guān)鍵詞：馬鈴薯Y病毒屬 致病機(jī)理 植物抗性

中圖分類號：Q93? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Research Progress on Pathogenesis of Potyvirus and Plant Resistance Mechanism

ZHANG Lijuan1， LIN Yinfu2， WU Feng1， LI Jinzhao1， NONG Yaojing1

（1Guangxi Subtropical Crops Research Institute， Nanning， Guangxi 530001， China;

2College of Life Science and Technology，Guangxi University，Nanning，

Guangxi 530005， China）

Abstract： Potyvirus is one of the most widely distributed viruses in the world， causing serious damage and huge economic losses. The main species infected by Potyvirus are Solanaceae， Leguminosae and Chenopodiacea. This article reviews the pathogenesis of Potyvirus and the plant resistance mechanism to Potyvirus in recent years， so as to provide theoretical reference for better understanding， prevention and control of Potyvirus.

Key words： Potyvirus; pathogenesis; plant resistance

馬鈴薯Y病毒屬是迄今為止最大的植物RNA病毒屬，國際植物病毒分類委員會（ICTV）在2017年公布的數(shù)據(jù)顯示，共發(fā)現(xiàn)160個馬鈴薯Y病毒屬種類病毒。歸類為馬鈴薯Y病毒屬的大部分病毒是根據(jù)它們的生物學(xué)特性和病毒粒子形態(tài)等，比如血清學(xué)特性和對指示植物的反應(yīng)。該屬病毒含有的典型病毒種有：馬鈴薯Y病毒（potato virus Y，PVY）、蕪菁花葉病毒（turnip mosaic virus，TuMV）、大豆花葉病毒（soybean mosaic virus，SMV）、西葫蘆黃花葉病毒（zucchini yellow mosaic virus，ZYMV）、甘蔗花葉病毒（sugarcane mosaic virus，SCMV）、李痘病毒（plum pox virus，PPV）等。馬鈴薯Y病毒屬病毒因其分子特性，易變異，每個病毒種包含多個株系。如PVY被劃分為非重組株系N、O、C和重組株系NTN、N-Wi、N：O、NTN-NW[1];Ohshima將TuMV劃分為Basal-B、World-B、Basal-BR和Asian-BR四個類群[2];高波等將SCMV劃分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四個組[3];南京農(nóng)業(yè)大學(xué)國家大豆改良中心將我國的SMV分離物劃分為SC1-22共22個株系[4];PPV主要包含D、M、C、W、Rec、EA、T共7個株系，其中M和D是主要流行株系[5， 6] 。馬鈴薯Y病毒屬病毒基因組全長約10kb，屬于正義單鏈RNA病毒，含有兩個開放閱讀框。其中大的開放閱讀框編碼一個多聚蛋白，后由自身編碼的蛋白酶將多聚蛋白裂解為10個成熟的蛋白質(zhì)：第一蛋白（P1）、輔助成分蛋白酶（HC-Pro）、第三蛋白（P3）、第一個6K蛋白（6K1）、圓柱狀內(nèi)含體蛋白（CI）、第二個6K蛋白（6K2）、基因組關(guān)聯(lián)病毒蛋白（VPg），核內(nèi)含體蛋白a（NIa），核內(nèi)含體蛋白b（NIb），外殼蛋白（CP）。另一個小的開放閱讀框編碼三個蛋白：P1、HC-Pro以及P3N-PIPO融合蛋白。三個蛋白酶參與了多聚蛋白的裂解：P1和HC-Pro之間的位點(diǎn)由第一蛋白酶在二肽Tyr304-Ser305處裂解[7]，HC-Pro和P3之間的位點(diǎn)由輔助成分-蛋白酶在二肽Gly763-Gly764處裂解[8]，余下的位點(diǎn)由核內(nèi)含體蛋白酶在保守序列Glu-Xaa-Xaa-Tyr-Xaa- Gln-Ser/ Gly 中的Gln后裂解[9]。同時5'端共價結(jié)合VPg蛋白，3'UTR有一個polyA尾。

1 馬鈴薯Y病毒屬病毒的致病機(jī)理

病毒蛋白相互協(xié)作完成病毒的侵染、復(fù)制、運(yùn)動、傳播等生命周期過程，從而完成對宿主的侵染。

1.1 第一蛋白

P1是馬鈴薯Y病毒屬的第一個蛋白，在PVY中是最小的保守蛋白，大小在30 kDa到63 kDa之間[10， 11]。P1作為蛋白水解酶，其C末端的水解區(qū)域類似胰凝乳蛋白酶樣的絲氨酸蛋白酶，His-214、Asp-223和Ser-256組成催化的三體結(jié)構(gòu)（同樣重要的還有Asp288）[7]。在煙草蝕紋病毒（tobacco etch potyvirus，TEV）中，驗(yàn)證了P1具有促進(jìn)基因組擴(kuò)增的功能[11]，但在病毒運(yùn)動中幾乎不發(fā)揮作用。除此之外，在tobacco vein mottling virus（TVMV）中證明了P1體外結(jié)合RNA的活性，且更偏向于結(jié)合ssRNA[12]。

1.8 外殼蛋白

CP是病毒RNA編碼的最后一個蛋白，可參與病毒的衣殼化、癥狀形成[42]、病毒的蚜蟲傳播[43]、病毒的長距離和胞間運(yùn)動等[44]。PVY的CP與HC互作對于PVY屬病毒的傳播是重要的，兩者的互作跟CP N端的DAG基序（DTVDAGK）有關(guān)，進(jìn)一步證明了CP上的H256和HC-Pro上的R455，以及DAG基序上的G12對CP和HC-Pro的相互作用至關(guān)重要[45]。然而，還不清楚一個膜分隔的6K2復(fù)合物是如何通過HC-Pro和CP與PD相互作用的，病毒是否以包膜病毒粒子的形式移動還有待觀察[46]。

2 植物抗病毒機(jī)制

2.1 顯性基因介導(dǎo)的顯性抗性

植物本身具有一些抗性因子抵抗病毒的侵染，其中R基因介導(dǎo)的顯性抗性是其中一種。大多數(shù)R基因編碼核苷酸結(jié)合和亮氨酸豐富的結(jié)構(gòu)域（NB-LRR）蛋白，在植物中數(shù)量很多，擬南芥中已經(jīng)鑒定出159個，在茄科植物中的數(shù)量是擬南芥的兩倍多[47， 48]。根據(jù)N端的結(jié)構(gòu)域，NB-LRR基因分為兩個類型：Toll/interleukin-1 receptor （TIR）–NB-LRRs （TNLs）和coiled-coil （CC）-NB-LRRs （CNLs），TIR和CC區(qū)域參與了防御信號激活的同源二聚體的形成。NB-LRR的中心區(qū)域，又稱為NB-ARC，NB-ARC結(jié)構(gòu)域作為核苷酸結(jié)合囊，水解ATP，誘導(dǎo)R蛋白構(gòu)象變化。C端的LRR主要作用于蛋白互作時識別不同的序列，影響蛋白的識別特異性。NB-LRR蛋白通過LRR與中間區(qū)域的互作維持R蛋白的“關(guān)閉”狀態(tài)，避免R蛋白產(chǎn)生自身免疫，在病原體入侵時，R蛋白直接或間接地與效應(yīng)器互作使其成為“開啟”狀態(tài)。這種效應(yīng)器也被稱為Avr因子，一般是無毒性的病毒蛋白，由R基因編碼的蛋白質(zhì)與Avr效應(yīng)蛋白相互作用，誘導(dǎo)一種快速而強(qiáng)烈的抗性反應(yīng)，稱為效應(yīng)觸發(fā)免疫（ETI），一般與超敏反應(yīng)（HR）相關(guān)。R基因介導(dǎo)的病毒抗性也是基因—基因抗性。R基因與Avr識別的機(jī)制目前有三種：（1）“受體—配體”結(jié)合的直接相互作用;（2）R蛋白通過寄主輔助蛋白與Avr蛋白結(jié)合的間接相互作用;（3）Avr進(jìn)入寄主細(xì)胞核結(jié)合R基因啟動子的調(diào)控元件，激活R基因的表達(dá)的轉(zhuǎn)錄調(diào)控方式[49]。

馬鈴薯中對抗Potyvirus的抗性基因類型有兩種，一種是Ry基因賦予的極端抗性（extreme resistance，ER），另一種是Ny基因賦予的超敏抗性（hypersensitive resistance，HR），也是區(qū)別不同PVY株系的癥狀表現(xiàn)基因，大部分的抗性基因被定位在馬鈴薯基因組IV， IX， XI 和XII染色體上。已經(jīng)被鑒定出來的馬鈴薯上抗PVY的Ryadg、Rysto、Rychc基因，抗馬鈴薯A病毒 （Potato virus A，PVA） 的Rx1、Rx2基因[50]。辣椒中抗PVY的顯性抗性基因鑒定出來的有Pvr4、Pvr7和Pvr9，Pvr4和Pvr7是連鎖基因，來自辣椒品種CM334的Pvr4對廣泛的馬鈴薯Y病毒屬的病毒具有抗性，位于辣椒的10號染色體上[51]。

2.2 隱性基因介導(dǎo)的抗性

植物中也存在大量的隱性抗性基因，其中很大一部分是編碼真核生物翻譯起始因子4E或者4G家族。辣椒中的隱形抗性基因pvr1、pvr2、pvr3、pvr5、pvr6、pvr8，分別對不同的PVY株系有抗性[51]。已探明馬鈴薯Y病毒屬病毒編碼的多個蛋白與翻譯起始因子蛋白互作，例如Vpg（前文已提到）、HC-Pro，PVA中的Vpg含有的基序Tyr-X-X-X-X-Leu-phi （YXXXLΦ）綁定eIF（iso）4E，HC-Pro上也有類似的4E結(jié)合基序，都可以與4E（eIF4E）和eIF（iso）4E互作[39]。真核細(xì)胞中，eIF4E/（iso）4E結(jié)合到mRNA的5端帽子結(jié)構(gòu)組成翻譯起始復(fù)合體eIF4F/（iso）4F，復(fù)合體同時含有支架蛋白eIF4G/（iso）4G、解旋酶eIF4A/（iso）4A、poly A尾結(jié)合蛋白（poly（A）-binding protein，PABP），從而起始翻譯。

2.3 宿主蛋白參與病毒侵染

病毒侵染單靠病毒蛋白遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，侵染完成是病毒蛋白與宿主蛋白相互作用的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)表明大量的宿主蛋白參與了病毒的生命周期循環(huán)。當(dāng)病毒PVY侵染煙草宿主細(xì)胞后，宿主細(xì)胞內(nèi)的磷酸葡萄糖酸脫氫酶、磷酸核糖異構(gòu)酶、磷酸核糖焦磷酸激酶參與了病毒RNA的生物合成[52]。PVA的病毒蛋白HC-Pro能與微管結(jié)合蛋白HIP1和HIP2互作，引導(dǎo)病毒的運(yùn)動和積累，HC-Pro上氨基酸殘基323-352控制這一過程[53]。侯含等證明了PVY侵染煙草能導(dǎo)致煙草細(xì)胞內(nèi)的ROS的升高，進(jìn)而引起細(xì)胞自噬和過氧化物酶體自噬，從而調(diào)節(jié)病毒對宿主細(xì)胞的影響[54]。細(xì)胞自噬是植物體內(nèi)組織穩(wěn)態(tài)和發(fā)育關(guān)鍵的進(jìn)化保守過程，在病毒侵染宿主細(xì)胞后，細(xì)胞自噬蛋白靶向病毒蛋白進(jìn)行溶酶體降解，同時病毒在進(jìn)化過程中會編碼一些毒力蛋白對抗自噬的作用，在動物病毒中細(xì)胞自噬研究的比較多，但在植物上相對較少，目前在馬鈴薯Y病毒屬病毒中這一過程涉及的機(jī)制還需要大量研究去探索。MAPK參與包括防御激素的生物合成/信號傳導(dǎo)和ROS的生成等多種防御反應(yīng)的信號傳導(dǎo)。在一些病毒侵染宿主引起的嚴(yán)重反應(yīng)如系統(tǒng)性壞死，宿主細(xì)胞內(nèi)的撕裂原活化蛋白激酶（Mitogen-activated protein kinase，MAPK）基因（WIPK和SIPK）和撕裂原活化蛋白激酶激酶（MAPK kinase，MAPKK）基因（MKK1和MEK1）對細(xì)胞死亡是正向調(diào)節(jié)因子[55]，但并不抑制細(xì)胞壞死誘發(fā)的病毒的積累。

3 植物抗馬鈴薯Y病毒屬病毒的研究

3.1 轉(zhuǎn)基因抗性

通過轉(zhuǎn)病毒基因增強(qiáng)植物的病毒抗性的研究，發(fā)現(xiàn)了植物另一種抗病毒機(jī)制：RNA沉默介導(dǎo)的病毒抗性，即植物對外源的核酸具有識別和降解功能。

利用siRNA介導(dǎo)的病毒抗性運(yùn)用比較多[56]，對PVY中的 P1、HC-Pro、Vpg、P3、CI、NIa、NIb、CP進(jìn)行基因轉(zhuǎn)化，在轉(zhuǎn)基因植株體內(nèi)都能檢測到病毒抗性，但抗性隨著基因的不同而效率不同[57]。通過干擾對病毒生命活動影響較大的基因（如CI和CP），可能會帶給植物更大的抗性。另外干擾片段的選擇也會影響轉(zhuǎn)基因的病毒抗性，對比多病毒序列從而選擇更加保守的基因片段進(jìn)行干擾，效率更高，這在生產(chǎn)上也具有重大意義[58]。干擾片段的長度不宜過長也不宜過短，另每個基因干擾的位置不同也會帶來不同的抗性效率，需要大量實(shí)驗(yàn)去探索合適的干擾位點(diǎn)[59]。siRNA介導(dǎo)的病毒抗性除了自身的優(yōu)點(diǎn)外，也可能會帶來不同病毒的重組、靶標(biāo)的錯配等缺陷，人工miRNA （amiRNA）的應(yīng)用將更有發(fā)展前景。RNA介導(dǎo)的植物對病毒的抗性也有很多局限性，例如轉(zhuǎn)基因抗病植株還局限在試驗(yàn)階段;RNA病毒易變異。病毒病當(dāng)前沒有十分有效的防治手段，轉(zhuǎn)基因抗病毒還是具有重要的應(yīng)用研究價值。

3.2 宿主基因沉默

除了病毒基因介導(dǎo)的植物病毒抗性外，利用宿主基因的沉默也能達(dá)到抑制病毒的作用。宿主上有多個參與病毒生命周期的宿主蛋白，熱激蛋白70（heat shock protein 70，Hsp70）參與病毒的復(fù)制過程，沉默煙草Hsc70-2基因明顯抑制煙草中PVY的表達(dá)量[60]。應(yīng)用轉(zhuǎn)錄激活樣效應(yīng)因子核酸酶（Transcription Activator-Like Effector Nucleases，TALENs）技術(shù)定向編輯敲除真核翻譯起始因子eIF4E-6，獲得雜合突變型T0代株系[61]。因宿主基因往往賦予植物一些特定功能，需要謹(jǐn)慎篩選既對植物生長影響小又對病毒抗性強(qiáng)的宿主基因，需要進(jìn)一步探索合適基因。

4 討論

馬鈴薯Y病毒屬病毒是迄今為止發(fā)現(xiàn)的危害植物的最大的植物RNA病毒屬，可造成宿主植物的減產(chǎn)、減質(zhì)，本文綜述了馬鈴薯Y病毒屬病毒編碼的蛋白的功能、植物參與對抗病毒侵染的抗性因子及植物在生物脅迫時誘導(dǎo)產(chǎn)生的應(yīng)激反應(yīng)、利用基因工程增強(qiáng)植物的病毒抗性等。目前對馬鈴薯Y病毒屬病毒的致病機(jī)理研究有了一定的進(jìn)展，但在一些方面還未闡明清楚。病毒侵染植物細(xì)胞引起ROS的升高從而調(diào)控細(xì)胞自噬，但并不抑制病毒在細(xì)胞內(nèi)的積累，ROS如何調(diào)控細(xì)胞自噬，病毒又是通過什么機(jī)制對抗細(xì)胞自噬對自身的清除，這需要大量的工作去探索。針對馬鈴薯Y病毒屬病毒，植物隱性抗性基因發(fā)揮了重要的病毒抗性作用，但目前鑒定和研究的多集中于翻譯起始因子，是否存在更多其他的基因。病毒完成侵染需要與寄主蛋白互作，借助病毒-寄主互作，不同的病毒感染造成的病害癥狀往往存在差異，目前互作引起的寄主變化主要集中干擾信號通路、影響miRNA及其靶基因的表達(dá)、介導(dǎo)病毒的生命活動等[62]，使寄主癥狀呈現(xiàn)不同的表現(xiàn)。馬鈴薯Y病毒屬病毒屬于單鏈RNA病毒，易變異，病毒蛋白與宿主蛋白互作的代謝途徑還不完整，進(jìn)一步完善代謝途徑也為利用宿主基因沉默抑制病毒提供更多可操作的基因選擇。

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