抗病基因与植物病毒的智能战

2019-04-09 李晨 中国科学报
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负链RNA 病毒是一类严重威胁生命健康的病原微生物,该类病毒包含(禽)流感病毒、狂犬病病毒、埃博拉病毒等极具危险性的人畜共患病毒;也包含对农业生产具有严重威胁的植物病毒,特别是番茄斑萎病毒属(Tospovirus) 和纤细病毒属(Teniuvirus)病毒在农业生产上危害尤为严重。

近日,国际植物病理学权威杂志Annual Review of Phytopathology在线发表了南京农业大学植保学院植物病毒学实验室的综述论文,全面而系统地总结了番茄斑萎病毒属病毒如何劫持和利用寄主因子成功侵染植物以及病毒与寄主先天免疫系统的相互博弈过程,并对该领域今后的研究方向和内容进行了展望。

论文第一作者、南京农业大学副教授朱敏告诉记者,番茄斑萎病毒属病毒及其典型成员番茄斑萎病毒每年在全球范围内造成数十亿美元的经济损失,被列为世界上为害最严重的植物病毒。该属病毒对我国云南等省份的番茄、辣椒、马铃薯、花生、莴苣、花卉和瓜果等作物造成了严重的经济损失。

随着全球气候变暖及国际贸易的日益频繁,传播该番茄斑萎病毒属病毒的昆虫介体蓟马得以迅速蔓延,因此我国的番茄斑萎病毒病也有扩散甚至爆发的趋势。

另外,同为植物多分体负链RNA 病毒的纤细病毒属及典型成员水稻条纹病毒则在我国广大稻区造成了极其严重的危害,在病毒流行年份仅江苏省发病面积就达2000 万亩,占江苏省水稻总面积的70%。

朱敏介绍,植物病毒基因组仅编码少数几个蛋白,它们必须依赖于寄主植物才能完成自身的侵染和增殖。因此植物病毒大多通过其编码的蛋白来劫持或者利用寄主因子来完成自身的生命过程。与此同时,寄主植物在感知病毒的种种入侵性行为后,则会启动自身的防御体系来抵抗病毒侵染,于是植物与病毒之间为了各自的生存“斗智斗勇”。

论文通讯作者、南京农业大学教授陶小荣团队围绕番茄抗病蛋白Sw-5b就寄主植物抵御病毒侵染的防卫机制开展了一系列研究。研究结果表明,Sw-5b在寄主植物对病毒的防御战中扮演着核心的“分子开关”的角色。在没有监测到病毒时,Sw-5b 这一分子开关处于深度抑制状态(关闭态);而一旦监测到病毒,这个分子开关就转换为激活状态(开放态),进而发动对病毒的防御战,以一种精确的“自杀式自救”的方式保护植物不被病毒侵染。

这篇综述论文回顾了相关研究成果。该团队2017年的研究发现,Sw-5b对一些番茄斑萎病毒属成员具有广谱抗性,并解析了Sw-5b发挥广谱抗性的分子机制,提出了一种植物抗病蛋白广谱抗性的新模式。团队近期刚发表的研究成果发现,抗病蛋白Sw-5b 进化出两个功能域并通过两步识别机制监测病毒入侵,第一步特异性识别病毒,打开一层开关,第二步再特异性识别病毒,再打开一层开关,通过双重保障,准确识别病毒并精确激活分子开关,进而发动一场对病毒的精确打击。

陶小荣对今后的研究如何在控制番茄斑萎病毒病上发力进行了展望,阐述了几种可以作用的途径,包括突变或敲除病毒侵染所必需的特定植物蛋白,从而抑制病毒侵染的能力;利用最新基因编辑技术(例如CRISPR-Cas9)将Sw-5b等抗病基因导入感病植物中使它们产生抗病性;参照现有的一些具有广谱抗性抗病基因的特征,对抗病基因进行分子设计和改造,使其具有更广的抗性谱,以抵抗更多不同种类的病原微生物如病毒、细菌和真菌,等等。

本论文的第一署名单位为南京农业大学。荷兰瓦赫宁根大学的Irene Louise van Grinsven博士和Richard Kormelink副教授参与了文章部分内容的撰写。项目得到了国家自然科学基金重点项目的资助。