植物大战病毒

在引发植物疫病的众多病原体中，病毒可能是最难缠的一类。幸运的是，经过漫长的协同进化，植物进化出了多种对抗病毒的防御机制。科学家们正在研究这些天然的防御机制，并试图结合新的基因工程技术，培育出抗病的作物新品种。

2011年，肯尼亚西南部的玉米遭受了一种致命的病害，受感染的植株叶子上出现了苍白的条纹，然后整株玉米渐渐枯萎死亡。国际应用生物科学中心的科学家收集了受感染的植物样本，并将其送到英国的实验室。随后研究人员对受感染植物表达的RNA分子进行了测序，测序后发现，这种疫病是由甘蔗花叶病毒和玉米褪绿斑驳病毒双重感染造成的。

研究人员对这些病毒并不陌生，因为在20世纪后半叶，美国堪萨斯州的玉米也曾遭遇了类似的情况。玉米褪绿斑驳病毒会对玉米造成严重损害，而加上本身对玉米无害的甘蔗花叶病毒之后，它的破坏性更强了。不过，由于更换了抗病性更强的玉米品种，堪萨斯州自1988年以来没有再发生过大规模的致死性玉米病害。然而在2011年，病毒袭击肯尼亚时，当地的玉米却完全没有防御能力。在接下来的一年里，这种名为“玉米致死性坏死病”的疫病在肯尼亚7.7万公顷的玉米地中肆虐，造成的损失约合5200万美元。现在，这种疫病已经扩散到大多数东非国家，并威胁着数百万人的粮食安全。

植物和动物一样容易受到病毒感染。植物病毒的危险之处在于，它们不像细菌和其他病原体一样能用抗生素或杀虫剂杀死。目前，我们还没有治愈植物病毒病的有效方法，只能用各种办法进行预防，而染病的病株只能直接拔掉、销毁。

当然，面对病毒，植物也并不只是被动的受害者，许多植物已经进化出了对抗病毒感染的免疫机制。科学家正在研究这些天然免疫机制，并通过杂交育种或基因编辑等方式增强植物的天然免疫力，从而研发出抗病的新作物品种。目前，一些基因改造作物已经被推广种植，还有一些正等待监管部门的批准。

植物的天然免疫系统

众所周知，人体具有复杂而完善的免疫系统，无时无刻不在抵抗病原体入侵和消灭体内的病原体，使我们保持健康。而植物也有一套完善的免疫系统，以对抗各种病虫害。

植物虽然不像人类一样有特化的免疫器官和免疫细胞，但其每一个活细胞都可以激发免疫反应。一旦病原体（病菌或病毒）进入植物细胞壁范围内，就会触发第一道免疫防线。植物细胞表面的多种“模式识别受体”能够识别“病原相关分子”（如细菌细胞壁和鞭毛中的某些成分），从而激活多种非特异性免疫反应，如增加细胞内抗菌物质的含量以杀死病菌，促进细胞凋亡从而阻止病原体扩散等。这些免疫反应对抵抗病菌尤其有效，同时对病毒入侵也有一定的防御功能。虽然目前还未发现专门针对病毒的模式识别受体，但科学家发现，植物细胞可以识别病毒的核酸。虽然不同生物体内核酸的基本结构相同，但真核细胞内的DNA和RNA都具有特殊的生化特征（如RNA的“帽子”结构和DNA的甲基化等），病毒的核酸不具有这些特征，因此会被植物细胞判定为入侵者，从而激活免疫反应。

一些病原体能够产生某些蛋白质干扰植物细胞中与免疫相关的激酶，从而突破第一道免疫防线，这类蛋白质统称为“效應因子”。一旦病原体穿过了第一道防线，植物细胞就会启动特异性和抵抗力更强的第二道防线。当细胞质内的“植物抗性蛋白（R蛋白）”识别出效应因子时，就会引发比第一道防线更强烈的免疫反应：积累更高浓度的杀菌物质；启动“泛素蛋白酶体通路”，降解病原体的蛋白组分；诱导“超敏反应”，杀死感染病原体的细胞；向其他细胞传递信号，激活植物整体的抗病性。

在与病毒的长期抗争中，植物对经常感染的一些病毒已经产生了较强的抗性。它们对这些“死敌”有一些更高效、更具针对性的防御对策。科学家对这些特殊的防御对策很感兴趣，因为这些防御机制可能成为培育抗病作物的关键。

防御对策1：RNA沉默

很多植物病毒复制时就会形成双链RNA，当植物细胞检测到双链RNA时，它就会启动RNA沉默（又称RNA干扰）机制，阻止病毒基因的表达。首先，植物体内的一种RNA酶——“Dicer蛋白”将病毒烈A转化为“小干扰RNA（siRNA）”。接着，细胞内一些其他的蛋白与siRNA结合，构成一种“RNA诱导的沉默复合物（RISC）”。之后，这个蛋白复合体将根据siRNA序列来追踪病毒HA，并将其切割、降解。这是植物保护自己免受病毒侵害的主要机制。

在最近20多年，研究人员一直试图提高植物利用这种机制来对抗病毒的能力。在20世纪90年代，美国夏威夷的番木瓜产业几乎被番木瓜环斑病毒所摧毁，这种病毒会使木瓜树的叶子变黄，导致果树逐渐枯萎、最终死亡。科学家将编码环斑病毒衣壳蛋白的基因插入细菌质粒中，并用基因枪将质粒导入离体培养的木瓜细胞。质粒在细胞中转录出与病毒RNA，激活了木瓜细胞的RNA沉默机制。这一过程就像是注射疫苗，使木瓜细胞不经感染就拥有了对环斑病毒的抗性。然后，通过组织培养技术，研究人员将具有抗性的木瓜细胞培养成植株，这种木瓜的每一个细胞都出于“备战状态”，一旦环斑病毒入侵，就立刻使其RNA沉默。这个新品种木瓜被命名为“彩虹”，它于1998年上市，现在已经在夏威夷木瓜市场占据了主导地位。

在过去的几十年里，植物遗传学家也使用了类似的技术来对抗其他作物病毒。例如，在20世纪90年代末，科学家在南瓜中转入黄瓜花叶病毒、西瓜花叶病毒和西葫芦黄花叶病毒的基因，使其对这些病毒有了抵抗力。这种转基因南瓜已经在加拿大和美国获得批准。

最近，一些科学家们正在研究如何利用植物的RNA沉默机制来提升木薯的抗病力。木薯是一种根茎类作物，在南美洲和非洲的一些地区，它是数亿人赖以生存的主食。木薯褐条病是由乌干达木薯褐条病毒（UCBSV）和木薯褐条病毒（CBSV）引起的，木薯对其没有天然的抵抗力。这种疫病在自20世纪80年代就出现了，一开始影响范围不大，到了2004年，病毒蔓延到非洲多个国家，给当地农业造成巨大的破坏。

2011年，研究人员使用一种细菌质粒，将UCBSV的外壳蛋白基因序列插入到木薯细胞的基因组中，成功地启动木薯天然RNA沉默机制来对抗病毒。在随后的温室实验中，研究人员将染病的木薯枝条嫁接在经过基因改造的木薯植株上，这些木薯不负希望地表现出了百分之百的抗病性。在另一个研究项目中，研究人员在木薯体内转入了CBSV衣壳蛋白基因，田间试验结果显示，98%的转基因木薯对木薯褐条病毒产生了抗性。

为了生产一种对多种毒株具有抗性的木薯品种，研究人员将来自两种病毒的全部衣壳蛋白基因序列组合成一个质粒，并将其插入到木薯的基因组中。这些转基因木薯在肯尼亚和乌干达的小规模田间试验中表现良好，12个月后，25个转基因品种中的16个没有出现任何症状。目前，该项目的田间试验仍在继续，研究小组正在与乌干达和肯尼亚的农业监管机构合作，希望能将这些抗病品种推广种植。

防御对策2：改变蛋白结构

由于病毒自身携带的物质有限，它们必须借助宿主细胞内的一些蛋白才能进行复制。植物保护自己免受病毒感染的另一种方式是改变体内这些“助纣为虐”的蛋白。例如，科学家在20世纪90年代发现，病毒的“末端结合蛋白”能与植物中“真核起始因子4E（eIF4E）”家族的蛋白质相互作用。真核起始因子在植物细胞的蛋白合成中起着非常关键的作用，而植物病毒“挟持”了这种蛋白质，从而利用植物细胞本身的蛋白质合成系统生产病毒复所需要的蛋白质。

2002年，法国一个研究小组发现，有几种辣椒对某些病毒具有天然抗性，其抗性是由eIF4E基因的突变引起的。这种突变使一种起始因子的分子结构发生了改变，从而阻碍了它与病毒蛋白的结合。与此同时，研究人员还发现了一种拟南芥突变株，其体内一种eIF4E的基因被关闭，这一突变不会影响植物的正常生长，但阻碍了病毒的复制。最近，日本科学家在拟南芥体内发现了一种变异的蛋白质，它能抑制“车前草亚洲花叶病毒”的移动蛋白，使其不能在植物细胞间转移，从而避免整株植物受感染。

長期以来，植物育种专家一直在利用这种自然产生的遗传抗性，选择性地将栽培作物与抗病的野生品种杂交，以生产抗病力更强的作物。例如，在20世纪80年代，科学家们将木薯与其野生“近亲”、抗木薯花叶病的树木薯杂交，获得了抗病性强的木薯品种。然而，这种传统的育种方法可能需要数年到数十年的时间，如果针对每一种新的病毒都必须引入新的抗性基因，这种方法就更麻烦了。最近，科学家们利用基因工程技术，能够更迅速、更精确地武装农作物。

2017年，科学家经过筛选，发现了木薯中的两种起始因子蛋白会与CBSV和UCBSV的蛋白质发生相互作用。然后，研究人员利用CRISPR-Cas9系统编辑了相关基因的序列，以阻止这两种蛋白的表达。在温室试验中，这种经过基因编辑的木薯显示出较强的抗病性，但它对木薯褐条病不能完全免疫。这表明病毒也可能与其他未经编辑的起始因子相互作用。研究人员希望对木薯基因组继续作进一步调整，以设计出一种完全抗病的品种。

随着对植物天然防御机制的进一步了解，随着基因编辑技术的迅速发展，科学家能够更准确、高效地设计出抗病的作物品种。但这却是一场艰苦的战斗。因为病毒在不断变异、进化，其速度比植物计划的速度快很多，而每一种病毒都会对这种植物的防御机制产生抗性，这只是时间问题。例如，许多病毒能制造一种蛋白质，它可以吸收siRNA，从而阻止RNA沉默；而一些病毒改变了蛋白质的结构，使它们能够与植物体内变异的起始因子蛋白结合。

虽然基因编辑有助于开发抗病性更强的作物，但这种方法在农业上的应用仍处于初级阶段。每一个经过基因改造的新品种都需要进行长期的试验，确保其安全性之后才能被推广种植。目前，面对植物病毒病，严格的检疫仍然是关键。快速识别新的病毒威胁，在疫病大规模扩散前遏制疫情，才能有效避免严重的经济损失，这对很多作物品种换代慢，防疫投入不足的发展中国家尤为重要。

2011年，国际应用生物科学中心（CABI）启动了一个名为“植物智慧”的项目，与非洲农民合作，帮助诊断和治疗作物的疾病。项目的主要创新之一是“植物诊所”，当地农民可以与训练有素的植物卫生专家会面，识别自家田地里害虫和病原体。通过与农民会谈，科学家能第一时间发现各地出现的新的疫病，植物诊所在疫病的早期检测中起到了重要作用。一些新技术也在其中发挥了重要作用。例如，科学家正在使用便携式DNA测序仪，帮助发展中国家的农民识别新的病毒，使他们能够迅速采取行动，减少疫病传播。

尽管在对抗植物病毒方面仍存在许多挑战，但科学技术的进步也让我们有了更多的对策。在与植物病毒旷日持久的战争中，目前我们正占据着上风。

植物细胞中的“病毒工厂”

在19世纪50年代后期，一种毁灭性的疫病开始在荷兰的烟草种植园中蔓延，患病烟草的叶片先是出现花斑，然后逐渐萎缩、坏死，因此这种疫病被称为“烟草花叶病”。当时的科学家发现，把受感染的烟草的汁液注入健康的植物中，健康植株也会患病。他们因此认为。这种疫病是由细菌引起的。然而，后来又有科学家发现，将患病烟草的汁液经过陶瓷制成的细菌过滤器（陶瓷的微孔能比细菌的尺寸小，因此能过滤掉细菌）过滤之后，仍然具有传染花叶病的能力，这表明传播这种疫病的病原体并非细菌。1898年，荷兰微生物学家贝杰林克创造了“病毒”一词，用来描述这种神秘“传染因子”。

20世纪上半叶，科学家搞清了病毒的基本构造，但对它们致病的机理并不了解。20世纪50年代，科学家们开始使用电子显微镜来观。察病毒和植物细胞的相互作用。揭示了在受感染细胞中发生的巨大变化。研究人员发现，被感染的细胞中有很多囊泡状的结构，像是某种新的细胞器。

30多年后，科学家发现，这些直径从50到350纳米不等的奇怪囊泡是病毒感染的主要来源，它被称为“病毒原质”或“病毒工厂”。在这些囊泡中。病毒利用植物细胞中的原材料进行疯狂复制，增殖的病毒又会感染新的宿主。这些“工厂”的生产效率非常高，例如，番茄丛矮病毒可以在24小时内产生近100万个后代。这是一个令人难以置信的强大过程。这些“工厂”也可以保护其中的病毒，使它们避开植物免疫系统的识别。

新的病毒（或病毒基因组）会通过植物细胞之间的胞间连丝进入邻近的细胞中。但这些通道通常只允许小分子的转运，蛋白质和核酸无法通过。于是，这些病毒耍了一点小花招。它们释放出一种“移动蛋白”。讓通道扩大，这样它们就可以顺利通过了。一些病毒会进入植物的韧皮部，某些昆虫（如蚜虫）在吸食树汁时可能将病毒一并吸走，并带到其他的植株中去，造成大片作物接连感染。

自噬——“吃掉”病毒

最近的一些研究发现，植物可以通过自噬作用来清除体内的病毒。细胞自噬是依赖溶酶体途径对胞质蛋白和细胞器进行降解的一种过程，其主要功能是清除受损的细胞结构和不再需要的生物大分子，并将这些成分降解和再利用。

清华大学的学者发现，植物的一种自噬蛋白能与双子病毒（一类具有环状单链DNA的植物病毒）的一个关键基因结合，并将其运送到自噬体中进行降解。研究发现，在某些病毒中，这一基因发生了突变，不能被植物的自噬蛋白识别，这使它具有更强的感染性。另一方面，研究人员促进了“本氏烟”（一种烟草属植物，研究植物与病毒互作的模式生物）细胞的自噬作用，发现其对几种双子病毒产生了更强的抗性。

大学和加拿大农业与农业食品部联合研究发现，植物中另一种自噬蛋白能介导RNA聚合酶的靶向自噬，从而抑制RNA病毒的复制。

掌握了植物细胞自噬的抗病毒机制，科学家们希望能将其应用到作物育种中来，如选择自噬反应更快的品种，以获得高抗病性的作物。

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