全 文 ：·技术与方法·
生物技术通报
BIOTECHNOLOGY BULLETIN 2015, 31(10):105-110
收稿日期 ：2014-11-20
基金项目 ：国家自然科学基金项目（31371696）
作者简介 ：孙威，女，博士，研究方向 ：植物分子生物学 ；E-mail ：sunweicaas@163.com
通讯作者 ：常胜合，男，博士，研究方向 ：香蕉遗传育种 ；E-mail ：plantfood772@hotmail.com
在过去的几十年里，模式植物的分子生物学研
究取得了令人瞩目的进展。然而，在与人类休戚相
关的农作物、果树等经济类植物中，分子水平上的
研究却远远落后，无法满足人们对其改良育种的需
要。这其中一个重要的原因就是，迄今为止，转基因、
基因突变等分子生物学常规操作在大多数植物中依
然存在技术瓶颈，需要我们逐一去突破。可喜的是，
近些年快速发展起来的一种被称为病毒诱导的基因
沉默技术有望使这一局面得以改观。病毒诱导的基
因 沉 默（Virus-induced gene silencing，VIGS） 在 植
物的基因功能鉴定中是一个非常有用的工具，与传
统的研究植物基因功能的方法相比，具有简便高效、
周期性短、不需要对植物进行转化，以及可以沉默
基因家族等特点，并且可以在物种间和物种内不同
遗传背景的植物间进行基因功能的比较。而且，尽
管 VIGS 没有通过稳定的植物转化过程，人们近年
来发现其沉默效应也能够传递给后代，这预示着该
技术有望在作物改良上发挥巨大的潜力，应用前景
十分广阔。
1 病毒诱导的基因沉默（Virus-induced gene
silencing，VIGS）过程与原理
基因沉默（Gene silencing）是植物界中普遍存
在的一种抗病毒反应。在长期的生物进化中，植物
为了保护自己，限制外源核酸入侵，形成了基因沉
默这种防卫保护机制。基因沉默发生在两种水平上，
病毒诱导的基因沉默及其在植物研究中的应用
孙威  许奕  许桂莺  孙佩光  宋顺  常胜合
（中国热带农业科学院海口实验站，海口 570102）
摘 要 ： 病毒诱导的基因沉默（Virus-induced gene silencing，VIGS）在植物的基因功能鉴定中是一个非常有用的工具，在植
物中了得到广泛应用。与传统的研究植物基因阻断的方法相比，VIGS 具有简便高效、周期性短、不需要对植物进行转化以及可以
沉默基因家族等特点，而且在一定条件下其沉默效应还能够传递给后代。介绍了 VIGS 的原理与操作过程，综述了该技术的应用与
研究成果，有助于推动其在植物尤其是农作物育种中的进一步应用与发展。
关键词 ： 病毒诱导的基因沉默 ；基因功能鉴定
DOI ：10.13560/j.cnki.biotech.bull.1985.2015.10.018
Virus-induced Gene Silencing and Its Application in Plant Research
Sun Wei Xu Yi Xu Guiying Sun Peiguang Song Shun Chang Shenghe
（Haikou Experimental Station，Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences，Haikou 570102）
Abstract:  Virus-induced gene silencing（VIGS）is a useful tool for the identification of gene function in plants, therefore widely utilized
in plants. Compared to traditional gene disruption approaches, VIGS is simple, rapid, short-cycle, transformation-free and capable of silencing
multiple gene family members. Moreover, under the certain conditions, VIGS can even be transmitted to progeny plants. Here, the principle
and operation of VIGS are introduced, and its recent applications and research advances are reviewed, which conducively promotes its further
application and development in plants, especially for crop breeding.
Key words:  virus-induced gene silencing ；identification of gene function
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.10106
一种是由于 DNA 甲基化、异染色质化以及位置效
应等引起的转录水平上的基因沉默（transcriptional
gene silencing，TGS）， 另 一 种 是 转 录 后 基 因 沉 默
（post-transcriptional gene silencing，PTGS）， 即 在 基
因转录后的水平上通过对靶标 RNA 进行特异性降解
而使基因失活。在这两种水平上引起的基因沉默都
与入侵核酸片段和宿主基因的同源性有关。
根 据 植 物 的 抗 病 毒 防 御 机 制， 研 究 人 员 发
展 出 了 病 毒 诱 导 的 基 因 沉 默（Virus induced gene
silencing，VIGS）这一项新技术。VIGS 是指携带目
的基因片段的病毒侵染植物后，可诱导植物内同源
基因的沉默，从而帮助我们通过对植物表型变化的
研究来分析目的基因的功能。VIGS 包括 3 个重要步
骤 ：将待沉默的宿主目标基因片段插入病毒基因组，
感染合适的宿主植物，最后利用植物抵抗病毒感染
的防卫机制沉默目标基因［1-3］。
最初，VIGS 的报告是对本氏烟草中八氢番茄
红素脱氢酶（phytoene desaturase，PDS）基因的沉
默［4，5］。后来的一段时期人们通过对专门的病毒
载体的研发［6］ 和改进［7］，大大增强了 VIGS 技术
的实用性［1］。尽管 VIGS 的机制仍在研究中［8-11］，
但 是 关 于 这 种 由 RNA 或 DNA 组 成 的 VIGS 载 体
复 合 物 接 种 植 株 后 所 产 生 的 VIGS 过 程， 这 些 年
的一些发现已经帮助我们描绘出了一个清晰的框
架［12，13］， 即 DNA 和 / 或 RNA 病 毒 通 过 病 毒 双 链
RNA（dsRNA）以及病毒小干扰 RNA（siRNA）的
形成引发了 VIGS［14］。具体来讲，为了沉默特定的
植物内源基因，先构建好一个携带有目标片段的重
组病毒载体［5］；一旦病毒侵入了宿主植物体，病毒
dsRNA 首 先 被 DCL4（Dicer-like 4） 核 酸 酶 裂 解 转
化成 siRNA［10］；随之 siRNA 被植物中 RNA 依赖的
RNA 聚合酶 1（RDR1）、RDR2 和 RDR6 所扩增［15］；
然 后，siRNAs 与 AGO1（Agronaute） 复 合 体 结 合，
从而获得靶向植物细胞中同源 RNA 或 DNA 的能
力［1，6，8，16］；siRNAs 与 AGO1 的 复 合 体 通 过 与 靶
标 RNA 相互作用可导致后者的核酸被内切裂解，因
而同源 RNA 的翻译被抑制［8，17］，这样就形成了转
录后的基因沉默（post-transcriptional gene silencing，
PTGS）；而该复合体如果与核内的 DNA 靶标分子相
互作用则将通过 DNA 和 / 或组蛋白的修饰导致转录
抑制，形成转录水平上的基因沉默（transcriptional
gene silencing，TGS）。
2 病毒诱导的基因沉默技术的应用
VIGS 的应用十分广泛［1-3，18-20］，具有以下优
势 ：（1）可以简单、快速地沉默基因 ；（2）无需建
立稳定的植物转化体 ；（3）只需部分序列信息就足
以沉默一个基因 ；（4）VIGS 能被同时用于正向和反
向遗传学研究 ；（5）VIGS 可被用于沉默多拷贝的基
因（如多倍体植物小麦 Triticum aestivum 中的基因）
或者基因家族的多个成员 ；（6）VIGS 可对那些在有
性繁殖的植物中采用突变体（或基因反义敲除）方
法会产生致死作用的基因功能进行研究［1，2］。此外
它还具有特异性好和能用于高通量功能基因组研究
的优点［18，21，22］。而且，尽管 VIGS 没有通过稳定的
植物转化过程，人们发现其沉默效应也能够传递给
后代［23］。
VIGS 也存在着一些不足 ：（1）VIGS 对目的基
因功能的抑制不够完全，未沉默的基因仍有可能产
生足够的功能蛋白，因此无法在接种植物中观察到
典型的沉默表型 ；（2）如果没有全基因组序列或是
足够的 EST 信息，使用 VIGS 将会遇到基因家族中
功能冗余基因的干扰，对沉默效率造成影响 ；（3）
大部分的 VIGS 表型不具有遗传性，所以无法在种
子萌发或在幼苗生长早期表达中利用 VIGS 进行功
能基因研究 ；（4）基因的沉默效率或是沉默表型不
是非常的稳定，在不同的实验组或者不同的植株的
研究中，结果可能不完全一致，通常在实验中设置
一个沉默后能够有可见表型的标记基因作为阳性对
照可以解决这一问题。
近些年来，研究人员开发出了一系列的 VIGS
载体，使得 VIGS 技术在很多植物种的不同生理过
程中的基因功能鉴定上得到应用［24］，如植物的发育
过程［25，26］、疾病抗性［27，28］、昆虫抗性［29，30］，及
非生物胁迫抗性的反应过程［2，31-33］等。其中，仅
在非生物胁迫方面就已针对干旱、盐胁迫、氧化
胁迫及极端温度胁迫，在 VIGS 步骤上做了很多优
化［32］。最新的研究也显示，通过对培养温度、侵染
后培养天数等参数的优化可以提高沉默效率，在载
体中融入绿色荧光蛋白（Green Fluorescent Protein，
2015,31(10) 107孙威等：病毒诱导的基因沉默及其在植物研究中的应用
GFP）片段能够减少植物的病毒症状［34］，而事先建
立起适当的沉默效率评估方法更有利于高效地使用
载体［35］。VIGS 在载体侵染植物的方法上也获得了
不少进展，诸如开发出了主要针对叶片的农杆菌喷
淋、病毒液接种，以及对芽体进行真空渗透［2，36，37］
等接种途径。众多的改进大大促进了研究人员对基
因功能的批量研究工作，并且推动了 VIGS 的商业
化应用［38-40］。
如上所述，随着技术的研发和不断改良，VIGS
中的多数问题已得到了有效的解决。目前，影响
VIGS 广泛应用的限制因素主要还是缺乏能够有效
用于不同植物种中的 VIGS 载体。起初，VIGS 几乎
只能应用在烟草中，使用的是 Tobacco mosaic virus
（TMV）［5］、Tobacco rattle virus（TRV）［41］等病毒载
体。后来，很多 RNA 和 DNA 病毒陆续被改造成基
因沉默载体［1，23，42］。新载体和新的接种方法的出
现使得 VIGS 技术能够应用到越来越多的双子叶植
物种类中，其中仅 TRV 载体，就被成功用于多种不
同的植物，如烟草叶片［41］、番茄果实［7，43］等。但
是自 VIGS 技术发明以来，VIGS 载体的应用一直是
依赖于植物种的。直到采用 Barley stripe mosaic virus
（BSMV）载体沉默大麦（Hordeum vulgare）基因的
报道出现，VIGS 用于单子叶植物功能基因组的研究
才开始起步［44］。近年来，众多新载体尤其是通用载
体的研发［45］，不断地拓展 VIGS 的应用范围。目前，
应用最广泛的 VIGS 载体，有 Apple latent spherical
virus（ALSV）［46，47］、Barley stripe mosaic virus（BS-
MV）［48］以及 Tobacco rattle virus（TRV）［41］等。
3 病毒诱导的基因沉默技术的发展
3.1 长效VIGS的发现
在研究中，人们发现在合适的条件下，VIGS 的
作用能够持续几年甚至一直持续到植物死亡［23］。这
种高效的贯穿了植物的整个生命周期的 VIGS，此处
我们称之为长效 VIGS。长效 VIGS 有望取代突变体
和 RNA 干 扰（RNA interference，RNAi） 在 生 物 学
研究中的地位，而且对于那些不能够进行遗传转化
的植物尤其适用。
3.2 可传递给子代的VIGS
VIGS 技术在发明的早期被认为是不能遗传给后
代的，这也在很大程度上限制了该技术的应用。但
随着研究的深入开展和新载体的不断开发，VIGS 的
遗传功能也陆续被发现，而且在沉默的子代植株中
呈现出了很高的沉默效率和良好的均一性［46］。
3.2.1 VIGS 向子代传递的途径 首先，VIGS 可通
过种子向后代传递［23］。此外，宿主植物通过营养繁
殖和体外扩繁的方式将 VIGS 传给子代，也已得到
证实。如马铃薯在块茎繁殖过程中将体内的 Potato
virus X（PVX）病毒沉默载体传递给后代［50］。而通
过体外扩繁把 VIGS 传给子代的方式则更为多样，如
组织培养和愈伤培养［38］以及沉默植株的原生质体
分离［50］等。
3.2.2 非整合型可传递的转录后基因沉默和可遗传
的转录水平上的基因沉默 如前文中所述的基因沉
默原理，基于转录后基因沉默（post-transcriptional
gene silencing，PTGS）的可遗传 VIGS 称为非整合
型可传递的转录后基因沉默（non-integration-based
transmissible PTGS）［51］。此类型的基因沉默可通过
种子［23，46，47］和营养繁殖的方式传给后代并维持
很长的时间，且在子代中出现病毒症状的情况很
少。然而其发生机制迄今未能明确，且目前能完成
该类型沉默的载体也十分有限，效果较好的载体
有 TRV［23］ 和 BSMV［51］ 等。当然，不是所有病毒
载体都能够通过种子传递到子代的。在使用不能通
过种子传递的载体时，就不能达到遗传 PTGS 的目
的。 基 于 转 录 水 平 基 因 沉 默（tran-scriptional gene
silencing，TGS）的可遗传 VIGS 称为可遗传的转录
水平上的基因沉默（Heritable TGS）［51，52］。近来的
研究发现，植物中由 dsRNA 靶向宿主内源基因启动
子而导致的获得性表观遗传上的改变，是能够遗传
的［53］。采用这种方法可以培育出持久基因沉默的
植株，并且其后代在保持沉默效应的同时体内不存
在转基因和病毒成分［54］。种子繁殖和营养繁殖都
能稳定地遗传这种 TGS。同样，能诱导 TGS 的载体
也很少，目前报道过的只有 3 个，分别是 Cucumber
mosaic virus（CMV）［55］、Potato virus X（PVX）［12］
和 Apple latent spherical virus（ALSV）［52］。 选 择 采
用 PTGS 还是 TGS 方法沉默基因取决于病毒载体的
种类。
生物技术通报 Biotechnology Bulletin 2015,Vol.31,No.10108
4 总结与展望
VIGS 技术应用于植物研究，在很多方面优于其
它的基因阻断方法，这些优势可能还会超出我们的
想象。现阶段的 VIGS 已经能够直接应用于部分农作
物，如马铃薯、番茄、大豆、小麦、大麦、水稻和玉米。
可遗传的 VIGS 也有望直接应用于农作物改良，生产
出不含转基因成分的基因改良作物，迄今为止，采
用 VIGS 鉴定植物基因功能的探索已超过 10 年的时
间。随着载体和方法上的继续进步，我们相信 VIGS
必将在这个基因组时代发挥更重要的作用。
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（责任编辑 马鑫）