植物大战病毒拉锯正酣

2015-10-14 | 作者: 王方 李晨 | 标签: 周雪平

病毒,人们唯恐避之不及。而对于中国农业科学院植物保护研究所所长、植物病虫害生物学国家重点实验室主任周雪平而言,从植物与病毒的“军备竞赛”到科学家与病毒的艰苦斗争,都是一场战役。

植物与病毒在分子层面更是短兵相接,竞争激烈。“我们把病毒比喻成导弹,病毒要克服植物的防御体系,一旦克服,植物又会编码蛋白来对抗病毒。这跟军事上的‘军备竞赛’非常相似,‘道高一尺,魔高一丈’。”9月25日,周雪平在中国农业科学院主办的农科讲坛上说道。

不可忽视的植物病毒

一提到病毒,大家知道人类的病毒,如艾滋病、乙肝、口蹄疫、禽流感、猪瘟等,但对于植物病毒却不是那么了解。

“事实上,植物病毒占到所有病毒种类的二分之一,已经知道的植物病毒约有1100多种,其造成了重大的经济损失,也是制约作物生产的重要因素。”周雪平说。而在植物病毒中,数量最多、最早被记载的则是双生病毒。

周雪平介绍,双生病毒是一类对多种作物造成毁灭性危害的植物DNA病毒,其分布广、种类多、危害重、传播快,病害控制困难,已对全球50 多个国家和地区的番茄、棉花、木薯、豆类等多种作物造成巨大危害。

“比如棉花曲叶病毒,在我们周边邻国巴基斯坦造成几十亿美元的损失。”上世纪90年代,我国还未受到这一病毒的明显侵袭,因此并未引起研究者重视。但周雪平意识到,印度、巴基斯坦、泰国等受害国家均与中国临近,根据病毒的传播规律,双生病毒在未来数年内必将对我国的农业生产威胁极大。

如其所料,2005年,双生病毒在我国开始大面积暴发。据2009年统计,我国因双生病毒造成的番茄损失高达50亿元。现已在20多个省市区发生,并且在15个省较为严重。

其实,从1996年开始,在“973”计划、国家自然科学基金重点项目支持下,周雪平团队就在国内针对我国的双生病毒开展了较系统的研究。

周雪平团队首次发现植物病毒种间基因组重组可以产生新病毒;系统调查了我国双生病毒的发生分布,鉴定了41种双生病毒,其中31种为新种,占全球发现的双生病毒总数的13.5%;明确了双生病毒及卫星DNA在致病中的作用,阐明了双生病毒及卫星DNA的致病机理,发现双生病毒与传毒介体烟粉虱之间存在互惠关系,并阐明了互惠关系的分子机制;建立了水稻主要病毒病监测预警技术并明确了水稻条纹病毒相关基因功能;制备了30多种重要作物病毒的单克隆抗体,创制了病毒快速检测技术及检测试剂盒,并已广泛应用于作物病毒病的早期诊断、监测预警与防控。

基因沉默技术防控

“植物和人一样,一旦得病,杀死病毒病是很难的,但病毒病也是可以防的。”从1996年到2005年,周雪平一直致力于抗性育种筛选、基因沉默等抗病毒技术的探索研究,与双生病毒开展马拉松式的“军备竞赛”。

周雪平谈起与双生病毒的对抗时说道:“双生病毒有两大特点,一是病毒只能借由烟粉虱传播;二是病毒遗传本质是DNA。我们从这两方面入手多动脑筋就能钻研出很多办法与病毒对抗。”从物理方面,可通过设置苗期阻带使易感种群的种苗尽可能躲避烟粉虱侵袭;从基因层面,对作物进行遗传改造,使其能抗病毒侵染。

在我国,周雪平是将基因沉默技术应用于病毒研究较早的科学家之一。“病毒怎么危害植物?其中哪个基因是致病的?有需求就会有相应的技术应对。”

对基因沉默这一防控病毒成效显著的技术体系,周雪平作了通俗易懂的介绍。“当病毒侵染人体时,人体自身会因发达的免疫系统产生抗体反应。植物虽然没有抗体免疫系统,但可以通过基因沉默使病毒的基因组降解。”

当病毒侵染植物时,植物利用基因沉默来抵抗病毒,同时病毒蛋白也会作出抑制基因沉默反应。针对病毒与植物之间的相互对抗作用,周雪平团队获得灵感,提出了将病毒基因组遗传改造成有益的生物载体的想法。

简单来说就是,如果想要研究一个基因的功能,只要将病毒的致病基因去掉,使其不具有危害能力,但仍具有侵染力,然后将目标基因作为外源基因克隆后连接于病毒载体。当病毒接种植物,植物产生基因沉默使外源基因的功能丧失,通过观察、对比对照植株与试验植株的表型区别,就可以得知该外源基因可能与哪种性状相关,从而确定目标基因的功能。

“技术研究可以很好地指导病毒病防控。”周雪平说。通过大量的实验摸索,团队对这一技术的掌控接近炉火纯青,并将其有效转化到农业生产实践中,获得15项发明专利,其水平在国内外首屈一指。

昆虫、病毒、植物三者互作

“我们花了10年时间研究病毒致病基因的互作,但是病毒的传播离不开其寄主——昆虫。”周雪平团队与昆虫学家合作,发现昆虫啃食受病毒感染的植物后会产生更多的卵,且寿命增加。“如果吃健康的烟草,烟粉虱的存活时间是5天,吃感染病毒的烟草可以存活30天。在感染病毒的烟草上可以产140倍的卵。”

那么,植物、病毒、昆虫三者之间就存在神秘的关系。病毒由昆虫传播,昆虫以植物为食,植物被病毒感染,昆虫与病毒通过植物产生某种互惠关系,从而形成恶性循环。于是,他们进一步探索这种互惠机制,花了5年时间才算初步搞清楚。

有人提出,双生病毒的传递媒介是烟粉虱,可不可以考虑在媒介环节上做一些工作?

“媒介作用也是一种途径。但通过控制媒介来控制病毒的效果不好。”周雪平解释道,因为你一旦看到虫子的时候,病毒已经传播了,而且一只烟粉虱就可以传很多植株,每株植物上的烟粉虱多到数不清。“现在为什么通过化学农药防烟粉虱的效果不好,就是因为它的传播效率太高,况且这些农药也不能杀死百分之百的烟粉虱。”

“但是,可以通过基因工程在源头上控制。比如找到烟粉虱生长发育的关键基因,把这个基因放到植物里面。”周雪平认为,“当然也可以构建。让它产生针对烟粉虱关键基因的双链RNA。烟粉虱一旦吃植物,针对烟粉虱的小RNA就可以进入烟粉虱体内,启动烟粉虱内部的基因沉默,破坏烟粉虱的关键基因,让烟粉虱死掉。”

目前,团队和昆虫学家还没有找到其中的关键基因。如果一旦找到,通过植物阻断,让烟粉虱吃植物时死掉,它就不能变异。“在原理上是完全可行的。我相信某一天说不定就可以通过这样的高技术手段来控制虫子。虫子没有了,病毒传播也就少了。”周雪平说。

“我国植物病毒研究有几个重要的领域和方向,一个是植物防御和病毒反防御,一个是植物、昆虫、病毒三者互作。这些都是今后非常热的热点,中国很可能引领国际研究。”周雪平表示。

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来源:中国科学报

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