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研究人员从植物病毒中学习以保护作物

诺亚菲利与当地农民在肯尼亚致力于打击导致咖啡叶锈病当另一个致命的植物病害开始在该国的西南角消灭玉米真菌病原体。被感染的植物在它们的叶子上形成了苍白的条纹,然后枯萎并死亡。一些农民当年损失了90%的农作物。总部位于英国的农业和生物科学国际中心(CABI)的植物病理学家Phiri参加了比赛,以确定罪魁祸首。他和他的同事收集了病株的样本,并将它们送到英国约克的食品与环境研究局(现为Fera Science)的植物诊所。研究人员对感染玉米中表达的RNA分子进行了测序,并确定了两种病毒。在流行病的根源。1

这些病毒已经为研究人员所熟知 - 在20世纪下半叶,堪萨斯州的玉米作物遭遇了类似的命运。这种疾病被称为玉米致死性坏死,由甘蔗花叶病毒(SMV),一种通常对玉米无害的常见病毒和玉米褪绿斑驳病毒(MCMV)株的组合引起。MCMV本身对玉米作物造成损害,但与SMV结合使用后,其效果更加恶化。虽然自1988年以来堪萨斯州没有大规模爆发玉米致死性坏死 - 由于耐病玉米品种的轮换 - 2011年病毒袭击肯尼亚时,当地玉米没有防御。到第二年,这种疾病已经感染了77,000公顷肯尼亚农田,估计耗资5200万美元。

不幸的是,玉米致死性坏死几乎不是唯一的;一般而言,植物与人类和其他动物一样容易受到病毒感染。病毒特别危险,因为与细菌和其他病原体不同,它们不能用抗生素或杀虫剂杀死。加拿大魁北克省国家科学研究所(INRS)的病毒学家Jean-FrançoisLaliberté说:“目前,感染的植物并没有太大的作用。”因此,当病毒袭击时,农民常常被迫摧毁农作物,清洁工具和机器,然后从其他地方种植种子。

然而,近年来,科学家们开始寻求创新的保护作物的新方法。例如,在过去30年中开发的遗传修饰技术可以使植物具有防御病毒入侵的能力,同时使作物产量和食品质量不受影响。这些改良植物中的一些现在在食物链中。最近的基因编辑技术正在改进这种方法,允许研究人员对植物的DNA进行精确的改变,以设计更耐药的作物。目前正在实验室和现场试验中对几种此类品种进行测试,少数此类品种正在等待国家监管机构的安全批准。

植物作为病毒工厂

植物病毒的研究历史悠久。事实上,在植物中首先发现了病毒。在19世纪50年代后期,一种毁灭性疾病开始在荷兰的烟草种植园蔓延。当时的科学家们发现,将受感染植物的汁液注入健康的植物中可以传播植物叶子的症状 - 斑点和变色 - 研究人员认为这种疾病必须由细菌引起。然而,19世纪90年代的其他实验表明,传播疾病的传染因子可以通过瓷水过滤器的微小孔隙 - 太小而不允许任何已知细菌通过。1898年,荷兰微生物学家和植物学家Martinus Beijerinck创造了“病毒”一词来描述神秘传染,

即使在科学家在20世纪上半叶将病毒鉴定为蛋白质包裹的核酸之后,关于这些颗粒如何在宿主细胞内作用引起疾病仍然存在许多问题。再次,对植物的研究推动了病毒学的年轻领域。在20世纪50年代,科学家们开始使用电子显微镜来详细观察植物 - 病毒的相互作用,揭示受感染细胞中巨大的细胞重排。“[研究人员]注意到有很多类似于囊泡的结构,”Laliberté说。“在[健康]植物细胞中,我们有叶绿体,细胞核和线粒体,但在受感染的细胞中,我们有新的细胞器。”

随着气候变化,将出现更多的新昆虫,这些昆虫将携带新病毒和新菌株。-Jean-FrançoisLaliberté,

国家科学研究所

30多年后,研究人员发现那些直径约50至350纳米的奇怪囊泡是病毒感染的发源地。现在称为病毒体或病毒工厂,膜结合区室从植物收集资源以复制病毒基因组并产生RNA,其将指导蛋白质的产生和新病毒颗粒的构建,准备感染新宿主。(见下图。)这些工厂生产的生物分子的紧密接近和高浓度构成了一条高效的生产线,Peter Nagy指出,肯塔基大学的病毒学家。例如,“番茄丛生特技病毒可以在24小时内每个细胞产生近百万个后代,”他说。“这是一个令人难以置信的强大过程。”

通过将病毒复制封闭到膜结合区室中,工厂还用于保护病原体免受植物免疫系统的侵害。在复制其基因组(通常是单链RNA)时,植物病毒通常产生互补拷贝以暂时产生双链RNA,这是植物细胞中极不寻常的视觉。“这种双链RNA不存在于植物细胞中,”Nagy说,所以如果不是病毒工厂周围的保护膜,“植物细胞会马上知道这是一种入侵病毒。”

新的病毒基因组,有时被包装成新的蛋白质衣壳,然后通过称为胞间连丝的细胞壁中的小通道被带到相邻细胞。但它需要一点点哄骗,因为这些通道通常允许小分子的转运,而不是蛋白质和RNA的转运。因此,病毒工厂会产生所谓的运动蛋白质,从而触发通道扩大。一些病毒颗粒也能够进入韧皮部,在那里它们有可能被像蚜虫这样的树液喂食昆虫吸食,并被带走以感染其他植物,经常摧毁整个作物田地。

当然,在这种关系中植物不是被动的受害者,并且许多植物已经进化出对病毒感染的遗传抗性。(参见“坚守阵地”,“科学家”,2016年2月。)了解植物如何抵御攻击使科学家在保护作物的竞赛中处于领先地位,使他们能够设计出新的抗性品种。

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