全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 18卷 第 3期
2006年 6月
Vol. 18, No. 3
Jun., 2006
芜菁花叶病毒分子生物学研究进展
施曼玲
（杭州师范学院生命科学学院， 杭州 310012）
摘　要：芜菁花叶病毒(Turnip mosaic virus，TuMV)是马铃薯 Y病毒属(Potyvirus)的一个重要成员，
在世界上分布广泛，主要危害十字花科植物。本文对芜菁花叶病毒的分子生物学相关研究，如基因组
结构和功能、株系变异与进化、寄主植物抗性以及抗病毒转基因工程等的研究进展作一阐述。
关键词：芜菁花叶病毒；基因组；株系；抗性；转基因植物
中图分类号：S432.4; Q78　　文献标识码：A
Advances in molecular biology of Turnip mosaic virus
SHI Man-Ling
(College of Life Science, Hangzhou Teachers College, Hangzhou 310012, China)
Abstract: Turnip mosaic virus (TuMV) is an importance member of the genus Potyvirus, and it is widely
distributed in the world and mainly infects cruciferous plants. The review describes the recent research advances
about genomic structure and function, strain variation and evolution, host resistance and transgenic plants of
TuMV.
Key words: Turnip mosaic virus; genome; strain; resistance; transgenic plant
文章编号 ：1004-0374(2006)03-0279-06
收稿日期：2005-11-15；修回日期：2005-12-31
基金项目：浙江省自然科学基金项目(301007, Y305090); 浙江省教育厅科研项目(0561XP48);杭州师范学院科研基金重
点项目(2005XNZ09)
作者简介：施曼玲( 1 9 6 9 —)，女，博士，副教授。
芜菁花叶病毒(Turnip mosaic virus，TuMV)是
马铃薯Y病毒属(Potyvirus)的一个重要成员。1921
年美国Gardner等首次报道白菜上的 TuMV，而凌
立和杨演在 1941年首先报道四川油菜花叶病是由
TuMV引起，这是我国最早的有关TuMV的报道。近
十多年来，TuMV分子生物学的研究突飞猛进，在
TuMV基因组结构和功能、株系变异与进化、寄主
植物抗性以及抗病毒转基因工程等方面取得显著进
展，本文对TuMV分子生物学的相关研究作一阐述。
1　芜菁花叶病毒基因组结构和功能
从 1992年Nicolas等首次发表 TuMV核酸全序
列以来，到目前GenBank上已登录TuMV各分离物
的核酸序列已达到 600多条。在国内，何庆芳等最
早进行了 TuMV cDNA的合成与克隆。TuMV基因
组由一条单组分正单链RNA分子组成，长约9 798~
9 844个核苷酸(nt)，有一个单开放阅读框(ORF)，
两端是两个非转译区(UTR)，在 5UTR有一个核糖
体进入位点。单一开放阅读框表达产生一个多肽前
体，可翻译切割成 10种成熟蛋白，自基因组 5起
分别为 P1、HC-Pro、P3、6K1、CI、6K2、VPg、
NIa、NIb 和 CP 蛋白。
P1蛋白是一种丝氨酸蛋白酶，高度变异。P1
蛋白具有与核酸结合的特性，它既可以结合 ssRNA
和 dsRNA，又与 ssDNA有亲合力，但与 dsDNA则
不能结合。P1蛋白虽能增强病毒复制和移动，但
对病毒侵染来说并不是必不可少的[1]。
HC-Pro(helper component proteinase)既是蚜虫传
毒的辅助成分，又具有蛋白酶活性，因此而得名。
280 生命科学 第18卷
蚜传和非蚜传的TuMV株系HC-Pro氨基酸序列存在
六个氨基酸的差异，这是和蚜虫传毒相关的关键氨
基酸。不同的蚜虫种类与特异性HC-Pro互作的能力
不同，导致蚜虫所传播和持毒的Potyvirus属病毒表
现出种类和数量上的区别。用125I标记提纯的HC-Pro
饲喂蚜虫的实验表明，HC-Pro与病毒的结合体集结
在蚜虫的下颚针处，部分在消化道前方到肠，这种
选择定向需要有HC协助完成，推测认为HC的功能
是促使病毒粒子与蚜虫的粘合。后来的实验进一步
证实，HC-Pro N端的四个氨基酸序列 Lys-Ile-Thr-
Cys(KITC)以及HC-Pro铰链区上的三个氨基酸序列
Pro-Thr-Lys(PTK)都是蚜虫传毒所必需的成分[2]。
HC-Pro通过与 CP N端保守的氨基酸基序DAG互
作，在蚜虫口针与 CP之间起了桥联作用。实验表
明，HC-Pro KITC区的突变阻止了HC-Pro二聚体
与蚜虫口针的结合，而 PTK区的变异则影响了HC-
Pro与 CP结合。因此，蚜虫与 Potyvirus属病毒之
间的专化性取决于蚜虫种类与HC-Pro的亲合力，以
及HC-Pro与 CP蛋白N端的相互适应性[3]。
RNA沉默(RNA silencing)现象是真核生物细胞对
外源遗传因子的一种特异性且高效的降解机制，在
植物中 RNA沉默也称为转录后基因沉默(post tran-
scriptional gene silencing, PTGS)。dsRNA是 RNA沉
默起始的关键分子，dsRNA首先被DICER(RNA酶
III样的核酸酶)降解为不同长度的小 RNA，一类是
miRNA(micro-RNA); 另一类是siRNA(small interfer-
ing RNA)，这些小 RNA整合到 RNA诱导的沉默复
合体(RNA-induced silencing complex, RISC)中，并
促使 RISC降解同源mRNA或抑制翻译。针对寄主
本身的 PTGS防御机制，病毒在与寄主长期进化过
程中也产生了能克服这种防御反应的办法，即许多
病毒编码 RNA沉默的抑制子(suppressor)。HC-Pro
就是一种 RNA沉默机制的有效抑制子，HC-Pro干
扰 siRNA的积累，也改变miRNA的积累量，因而
影响 siRNA和miRNA的功能和生物合成[4]。HC-Pro
可能通过抑制沉默复合体RISC的形成来抑制沉默[5]，
HC-Pro还可通过与植物钙调素相关蛋白(rgs-CaM)互
作干扰 RISC的形成。HC-Pro既能抑制沉默的建
立，又能恢复已建立的沉默，所以可能在 RNA沉
默的维持阶段起作用[6]。
HC-Pro还具有调控病毒在胞间运动的功能，
与植物病毒病的症状形成密切相关。表达 TuMV
HC-Pro基因的转基因拟南芥出现类似 dcl1突变体
(DCL1丧失功能突变体)的表型。在转HC-Pro基因
或TuMV侵染的拟南芥中，HC-Pro都抑制了miRNA
介导的调控，在 mi R N A 产生的下游起作用，使
miRNA的目标mRNA过度表达。miRNA目标基因
的过度表达可能在 dcl1突变体、HC-Pro转基因植物
以及 TuMV侵染的植物中引起类似的发育缺陷[5]。
P3蛋白易变异。甘蓝型油菜品系 165具有对
TuMV致病型 1和致病型 3的抗性，但 P3蛋白突变
体在 165品系上诱导超敏反应(局部坏死)，P3蛋白
的突变使 TuMV克服了甘蓝型油菜的抗性基因而使
侵染发生[7]。P3蛋白是针对TuMV抗性基因TuRB03
和 TuRB04的无毒因子，该蛋白 C端与 TuMV在芥
菜上的病症表现密切相关，在寄主症状表现中起决
定性作用[8]。P3蛋白不仅影响病毒的积累，而且影
响病毒在细胞内的长距离移动。P3蛋白是TuMV侵
染过程的一个重要因素，并且是 TuMV寄主范围的
决定因子，它决定 TuMV对芸薹属和(或)萝卜属的
侵染 [ 9 ]。
6K1蛋白的作用机理不是很清楚，可能调控P3
蛋白活性[1 0]。
圆柱状内含体蛋白(cylindrical inclusion, CI)是根
据 TuMV在被感染的植物细胞内形成了圆柱状内含
体结构来命名的。圆柱状内含体蛋白形态结构上的
差异是由病毒分离物序列上的差异所决定。CI蛋白
的N端 103~119和 224~237两氨基酸残基处，存在
TuMV与西葫芦黄花叶病毒(Zucchini yellow mosaic
virus, ZYMV)交叉反应的两个抗原表位，这两个抗
原表位和病毒主要特异性抗原表位分别占了CI蛋白
N端的一半[11]。CI上别的保守序列与内含体形成以
及病毒胞间移动相关[12]。TuRB01是目前已知存在
于甘蓝型油菜上的TuMV抗性基因之一，CI蛋白编
码区单个核苷酸突变的 T u M V 突变体能侵染含
TuRB01抗性基因的芸薹属植物。CI蛋白突变体还
在含抗性基因TuRB05的甘蓝型油菜165品系上诱导
系统性侵染，可见，CI蛋白的突变使 TuMV克服
了甘蓝型油菜的抗性基因TuRB05而使病毒能侵染。
CI蛋白是 TuMV病毒与具有抗性基因的寄主互作
的决定性因子，是针对 TuMV抗性基因 TuRB01、
TuRB05以及 TuRB01b的无毒蛋白[7]。
6K2蛋白能与胞膜结合，它与病毒长距离移动
以及病症表现有关[13]。
病毒基因组连接蛋白(virus genome-linked protein,
VPg )是一个多功能蛋白，在病毒的侵染过程中起多
种作用。VPg在病毒增殖过程中起RNA复制酶引物
的作用，可直接与病毒 RNA聚合酶互作[14]。VPg
281第3期 施曼玲：芜菁花叶病毒分子生物学研究进展
是针对寄主隐形抗性基因的无毒因子。TuMV 的
VPg还与寄主拟南芥的真核起始结合因子eIF(iso)4E
互作，在病毒 RNA翻译起始中发挥作用。eIF(iso)
4E与mRNA的帽子结构结合，调控病毒 RNA翻译
的起始。VPg和mRNA竞争与 eIF(iso)4E结合，这
可能是病毒侵染过程中减少寄主基因表达的一种机
制。eIF(iso)4E缺陷型拟南芥的形态和生殖能力都
与野生型的一样，可见 eIF(iso)4E对植物生长并非
必要，但是病毒侵染所必需的，它是 Potyvirus属
寄主的感病因子。对 TuMV感病性下降，甚至表
现为免疫的拟南芥突变体的有关基因位点被克隆，
并证实是编码 eIF(iso)4E的基因[15]。Sato等[16]的试
验也证实TuMV不能在缺失eIF(iso)4E的突变体上增
殖。因此，TuMV的 VPg与寄主拟南芥的 eIF(iso)
4E 互作，增强了病毒的侵染能力。
VPg还能与拟南芥eIF(iso)4E的异构体eIF4E结
合，这种互作范围定位在 VPg的一段 35个氨基酸
片段上，若该区域的一个天门冬氨酸残基被替代，
则就不发生互作[17]。TuMV能在缺失 eIF4E的拟南
芥突变体上增殖[16]。在 eIF(iso)4E完全缺失的拟南
芥突变体中，eIF 4E 的表达量增加，该突变体对
TuMV表现出抗性。VPg与 eIF4E互作对病毒侵染
力来说是必需的，并能上调基因组复制，eIF4E参
与了 Potyvirus属病毒的复制循环过程[18]。
VPg除了与 eIF(iso)4Ee和 eIF4E互作外，还能
与寄主别的蛋白互作。在植物中VPg与 eIF(iso)4Ee
或 eIF4E的互作是在 6K2-VPg-Pro/ VPg-Pro与 eIF
(iso)4Ee/eIF4E之间进行，poly(A)结合蛋白(PABP)
也参与该互作，可在TuMV的VPg周围形成一个多
蛋白复合体[19]。一些植物，如豌豆、拟南芥和本
氏烟有一个富含半胱氨酸的特异性植物蛋白能与
VPg互作，该蛋白被称为Potyvirus属VPg互作蛋白
(PVIP)。它们的互作是靠近 VPg的 N端，N端的
16个氨基酸对这种互作是必需的，并且至少与 1个
PVIP作用。在VPg与 PVIP的互作中，PVIP起辅
助作用，通过加强 TuMV病毒在胞间的移动，来增
强病毒侵染力并影响寄主的系统症状[20]。
TuMV主要有两种寄主型，一个是BR寄主型，
它能系统性侵染芸薹属和萝卜属；另一个是 B寄主
型，它只系统侵染芸薹属，而几乎不能侵染萝卜
属。对发生变异能够侵染萝卜属的 TuMVB寄主型
突变体的基因组序列进行分析发现，39个变异核苷
酸中有4个是与这种TuMV B寄主型对萝卜属的适应
密切相关，这 4个核苷酸被鉴定出分别在 P1、P3、
C I 以及 V P g 蛋白基因上，显然这些基因位点在
TuMV最初对萝卜寄主的适应上发挥重要作用[21]。
核内含体 a蛋白(nuclear inclusion a protein, NIa)
是与 TuMV多聚蛋白体切割相关的一个半胱氨酸蛋
白酶，它以水解的方式剪切多聚蛋白上 9个连接位
点中的 7个。7个剪切位点的氨基酸序列都有三个
保守的氨基酸：在 P4、P2和 P1位点上分别是 V、
H和Q[22]。Kang 等[23]从随机的序列文库中获得NIa
蛋白酶剪切的氨基酸序列，通过GASP (genetic as-
say for site-specific proteolysis) 统计分析，推导出
的NIa蛋白酶所水解特异性底物的序列：Yaa-Val-
Arg-His-Gln-Ser，Yaa是一个脂质氨基酸，在Gln
与 Ser之间有个易断裂键。此外，NIa结构的稳定性
及蛋白酶的活性易受温度和盐离子浓度的影响[24]。
核内含体 b蛋白(nuclear inclusion b protein,
NIb)，是病毒的依赖 RNA的 RNA聚合酶(RdRp)，
含有 3个高度保守区域。Potyvirus属病毒的NIbs蛋
白利用 3UTR产生互补的 RNA[25]。
外壳蛋白(coat protein, CP)包被病毒 RNA。 CP
的N端区域和 P1、P3蛋白是 TuMV最易变异的三
个区域。蚜传和非蚜传的 TuMV两株系 CP的N端
有六个氨基酸的差异。CP N端第 8位点上的氨基酸
残基在单抗与 CP N端特异性的结合中起关键作用，
后来发现这个氨基酸残基是个保守的氨基酸基序
(DAG)，DAG可以用血清学方法辨别的。DAG通
过与HC-Pro互作参与和蚜虫口针的结合，因此 CP
与蚜虫的传毒密切相关[26]。CP也参与病毒在植物
胞间长距离的移动，并调控病毒 RNA复制[27]。
2　TuMV基因组的变异
TuMV 基因组的变异可能由点突变和重组引
起。Ohshima等[28]研究了76个来自世界各地的TuMV
分离物的 P1和 CP基因变异情况，1/10分离物的基
因组存在重组，P1基因的 5端 300个核苷酸最易变
异，而 CP基因 3端 380个核苷酸几乎是保守的。
TuMV分离物根据寄主反应分成两组致病型：芸薹
组(B)和芸薹萝卜组(BR)。在系统关系树上，这些
分离物分成 4个组：“basa l -B”组，由 8个 B 致
病型分离物构成，它们都易变异，不是单起源的，
并且都是来自欧亚大陆的西南和中部的芸薹或非芸
薹属作物；“basal-BR”组，由 8个 BR致病型的
欧亚分离物组成，也易变异；“Asia-BR”组，有
22个BR致病型分离物，变异少，其中大多数来自东
亚特别是日本，寄主大多数是萝卜；“Wor l d- B”
组，有 36个分离物，来自各大陆，几乎全部是来
282 生命科学 第18卷
自芸薹属的 B致病型。Ohshima等[28]认为世界各地
的 TuMV的变异进化可能就象它的芸薹属寄主一
样，先出现在欧洲，然后传播到世界各地，而近
来BR型致病型也开始在东亚进化。TuMV分子的起
源进化可能是寄主适应、基因重组和地理分布等综
合因素作用的结果。
Tomimura等[29]对世界各地的 38个 TuMV分离
物基因组全序列的变异进行研究，发现至少 1/5的
序列是重组的。6个来自欧亚非芸薹属的 B致病型
分离物可能是 TuMV种群的祖先，而新近出现种群
分支的是只在东亚发现的 BR致病型分离物，这些
分离物明显表现出重组，而且可能是新近重组的结
果。38个分离物基因组全序列的比较也表明TuMV
起源于欧亚大陆，并且新近在东亚出现新进化。
Tan等[30]分析了来自世界各地 89个TuMV分离
物的基因组全长 1/3序列的变异情况。基因组 5端
2/3长的序列中发现了18个重组位点，而3端1/3序
列中只发现两个。24%P1和 35%NIa-VPg基因序列
重组，而只有 1% NIa -Pro和 CP基因重组。一些
重组位点只在某个特殊的谱系中发现，因而更像单
个重组事件的后代，而不是发生在重组热点上多次
重组的结果。可见，谱系间和谱系内的重组在TuMV
自然种中是普遍的。
对 142个来自欧亚的TuMV分离物的寄主范围
和基因序列进行比较，发现大多数来自西欧亚大陆
的分离物的寄主是芸薹属，相反，来自东欧亚大陆
的分离物既侵染芸薹属又侵染萝卜属。分析基因组
5个区域上的重组位点，发现P1基因比别的基因重
组更频繁。核苷酸多样性表明，西欧亚亚群比东欧
亚亚群更多样，但来自Asian-BR组的基因有一个更
大替换比率，特别在 P1、VPg 和 NIa-Pro基因上，
这些亚群似乎从欧洲祖先类群独立进化而来，它们
的基因组结构也可能反映祖先的影响[31]。
陈炯等[32]对10个来自中国浙江的TuMV分离物
CP基因的变异进行分析，根据系统关系树，绝大
多数 TuMV分离物可归属为亲缘性较远的两个进化
类群。分离物 B1~B4寄主为芸薹属植物，归入类
群 1。而分离物 R1~R6来源于萝卜属，形成较小的
类群 2。两个类群间核酸序列同源性仅约为 90%。
而分离物 R5在 CP基因 430~450nt位段存在来源于
类群 1的重组。TuMV变异类型复杂可能与其广泛
的分布范围和较宽的寄主范围有关。
3　寄主的抗性基因
在广泛筛选TuMV抗性寄主的研究基础上，人
们又开始从分子生物学角度对抗性遗传机制进行深
入探索。目前有关 TuMV寄主抗性基因的研究在拟
南芥和芸薹属作物上取得较大进展。拟南芥有四种
生态型表现对 TuMV的抗性，分别是 Bay-0、Di-0、
Er-0和Or-0，其中Di-0、Er-0和Or-0具有基因型
的抗性，在 TuMV侵染过程中发挥不同程度的作
用；而生态型 Bay-0表现出对 TuMV在胞间移动的
干扰[33]。拟南芥生态型 Ler被 TuMV侵染后的症状
表现为叶脉坏死，该病症是由位于染色体 1上的单
个显性基因 T u N I 所调控。T u N I 被图谱定位在
MXF41和MRF28两个标记之间的105kb片段上，在
这区域内公认有 19个基因，其中 15基因被划分为
五大基因家族，基因家族Atlg58480和Atlg58062可
能在病原侵染过程中起抗性作用。Atlg58480基因
家族编码一种类似脂肪酶的蛋白，它可能与由水杨
酸介导的防卫反应机制有关。基因家族 Atlg58602
编码的 CNL(CC-NBS-LRR)蛋白，是已知植物抗性
蛋白的一种[34]。
芸薹属中广泛存在对TuMV的抗性，目前所发
现的 TuM V 抗性基因，如 T u R B 0 1、T u R B 0 2、
TuRB03、TuRB04和 TuRB05等，主要在甘蓝型油
菜上分离到。抗性基因 TuRB01 和 TuRB02来源于
甘蓝型油菜Westar品系，TuRB01是定位在油菜A
基因组染色体N6上的显性基因，对 TuMV致病型
1所有分离物均表现高度抗性。TuRB02定位在油菜
C基因组的染色体N14上，对 TuMV分离物 CHN1
表现出数量抗性[35]。抗性基因 TuRB03来源于甘蓝
型油菜品系 22S，被图谱定位在染色体 N6上，与
TuRB01在同一区域。TuRB03对 TuMV致病型 4分
离物 CDN1有高度抗性，其抗性遗传是显性并单基
因调控[36]。抗性基因 TuRB04和 TuRB05均在甘蓝型
油菜品系 165上发现，TuRB04在TuRB05上位相连，
两基因皆对TuMV致病型1和致病型3分离物表现高
度抗性[7]。另两个TuMV抗性基因TuRB01b和 Tu分
别来源于大白菜和莴苣[37]。TuRB01b来源于大白菜
品种 Tropical Delight并定位在染色体 R6上，其抗
性特性和作用机理与 TuRB01相同的。曹必好等[38]
在结球甘蓝84075品种上克隆到与TuMV抗性相关的
基因 TuR。TuMV的抗性基因多数显性，可有效地
抗 TuMV特定的株系或致病型，最近发现大白菜中
也存在广谱的隐性抗性。
来自AA染色体组的油菜对TuMV致病型1的广
谱抗性也已被鉴定，这种特异性抗性几乎与甘蓝型
油菜上发现的抗性基因TuRB01一模一样。对TuRB01
283第3期 施曼玲：芜菁花叶病毒分子生物学研究进展
抗性基因有抗性的致病型 1突变体，也同样能抵抗
来自AA染色体组油菜的抗性，这两种抗性可能由
相同基因调控。在AA染色体组油菜上还发现另两
种针对 TuMV的抗性：一种能抑制所有被检测的
TuMV 分离物系统侵染；另一种几乎对大多数的
TuMV分离物表现免疫；但是没有鉴定到对 TuMV
致病型 4和致病型 12的抗性资源。上述三种抗性在
油菜后代显性遗传不分离，这表明调控这些显性抗
性的基因可能是纯合的[39]。
Hughes等[40]检测了42个甘蓝型和AA染色体组
油菜对 TuMV三大欧洲致病型的抗性。这些油菜品
系中，有 11种对所有致病型都感病，有 9种抗一
种致病型，8种抗两种致病型，14种对三种致病型
都有抗性。检测的品系中有 23种可通过致病型 3的
两个分离物进行区别。Hughes等[40]提出了四种AA
染色体组油菜的对 TuMV 抗性遗传的基因模式：
JongBai 2号对致病型 1具有由单个等位基因所调控
的显性抗性；PL 418957C和 Jin G55品系对致病型 4
隐性抗性，也是由单个等位基因调控；PL 418957C
品系也同样具有对致病型 3的隐性抗性，这种抗性
是由两个强性非连结基因位点中的一个来调控；
JongBai 1号也具有对致病 3的隐性抗性，但它是由
三个基因位点上等位基因调控，其中任何两个基因
位点都强性(上位)的，并且是抗性所必需的。
4　转基因研究
在作物抗TuMV的抗病育种中，除了筛选抗性
品种和作物本身抗性基因外，国内外也开展了
TuMV自身基因介导的转基因抗性研究。Jan等[41]把
TuMV分离物ESC8的CP基因转入本氏烟，结果发
现一些抗性植株在 TuMV侵染的早期在嫩叶上出现
轻花叶，但花叶症状随这些叶片展开而消失，他们
认为这种抗性机理是由RNA介导的转录后基因沉默
(post transcription gene silencing，PTGS)。若把
TuMV CP基因与 TSWV(Tomato spotted wilt virus)
218bp的 N 基因融合一起转化本氏烟，转基因植株
表现出对两种病毒的抗性，实验结果表明病毒多片
断融合可表现出由 PTGS诱导的对多种病毒的复合
抗性[42]。卢爱兰等[43]用农杆菌介导的叶盘转化法，
将 TuMV CP基因导入甘蓝型油菜，获得抗 TuMV
转基因油菜。朱常香等[44]将 TuMV CP基因导入大
白菜，获得抗病的转基因大白菜。北京市农林科学
院蔬菜研究中心构建了TuMV的NIa基因高效表达载
体，采用原位真空渗入技术，转化大白菜并获得遗
传稳定并高抗 TuMV的转基因大白菜。张海燕等[45]
用激光微束穿刺法，将商陆抗病毒蛋白基因的
cDNA导入甘蓝型油菜，获得抗 TuMV的转基因植
株。
TuMV分布广泛，危害严重，深入进行 TuMV
基因组结构和功能、株系变异与进化、寄主植物抗
性以及抗病毒转基因工程等方面研究，对防治
TuMV病毒病害具有重要意义。
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