全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2012, 38(5): 761−772 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2009CB118401)资助。
* 通讯作者(Corresponding author) : 徐明良, E-mail: mxu@cau.edu.cn ** 同等贡献(Contributed equally to the work)
Received(收稿日期): 2011-09-01; Accepted(接受日期): 2012-02-22; Published online(网络出版日期): 2012-03-05.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20120305.1038.007.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2012.00761
植物抗病毒侵染的分子机制
侯 静** 刘青青** 徐明良*
中国农业大学 / 国家玉米改良中心, 北京 100193
摘 要: 植物病毒病是一类严重危害农作物生产的重要病害。已报道的植物抗病毒基因主要在抑制病毒增殖和阻止
病毒扩散中起作用。病毒的复制涉及自身的编码蛋白及其与寄主蛋白间的互作, 参与病毒复制的寄主蛋白很多, 如真
核翻译起始因子 eIF4E 和 eIF4G, 植物的内膜系统等, 相关蛋白的功能丧失或构型改变可阻滞病毒的复制; 此外, 植
物细胞内的硫氧还蛋白可调节细胞的氧化还原状态, 进而阻断病毒的增殖。病毒在植物体内的扩散包括胞间移动和
长距离迁移, 植物抗病蛋白(R蛋白)通过识别病毒的无毒因子(Avr)促发防御反应, 诱导过敏性坏死, 限制病毒在细胞
间的扩散, 编码这类抗病蛋白的基因主要为 TIR-NBS-LRR和 CC-NBS-LRR。病毒的长距离迁移涉及的因素很多, 目
前仅发现韧皮部的 RTM蛋白可能以多聚蛋白的形式抵制病毒的长距离移动。另外, RNA沉默也是植物抵制病毒侵染
的免疫反应机制。本文旨在综述植物的各种抗病毒机制和相关的抗病基因, 并探讨分子标记辅助选择(marker-assisted
selection, MAS)、定向诱导基因组局部突变(targeting induced local lesions in genomes, TILLING)和转基因等生物技术
在抗病改良中的应用前景。
关键词: 植物; 病毒; 基因; 抗病蛋白; Avr因子; RNA沉默
Molecular Mechanism of Plant Defense against Virus Attack
HOU Jing**, LIU Qing-Qing**, and XU Ming-Liang*
China Agricultural University / National Maize Improvement Center of China, Beijing 100193, China
Abstract: Viral diseases of plants seriously threaten the crop productivity. Many virus resistance genes are reported to play roles
in restraining viral replication and preventing virus movement. The viral replication is a complex process which depends on vi-
rus-encoded proteins, host factors, and their interactions. Many host factors are actively engaged in viral replication, e.g. eu-
karyotic translation initiation factor 4E (eIF4E) and 4G (eIF4G), and plant endomembrane systems. The loss-of-function or con-
formational changes of these host factors may inhibit viral replication. Furthermore, thioredoxin can regulate cellular redox state
to restrain viral replication. Virus movement involves cell-to-cell movement and long distance movement. Hypersensitive cell
death is trigged through the perception of a pathogen avirulence factor (Avr) by the cognate plant resistance protein (R protein) to
limit the viral cell to cell movement. Dominant plant R genes, characterized by TIR-NBS-LRR or CC-NBS-LRR, are generally
responsible for such kind of defense response. There are many factors associated with the long distance virus movement, but only
polymerized RTM protein in phloem was identified to limit viral long distance movement. In addition, RNA silencing also ac-
tively functions as an antiviral defense response. This review is aimed to summarize various mechanisms of plant defense against
virus attack, and to analyze possible implementations of MAS, TILLING, and transgenic technologies in the improvement of virus
disease resistance in crops.
Keywords: Plant; Virus; Gene; Resistance protein; Avirulence factor; RNA silencing
病毒是专性寄生物, 在寄主活体细胞内复制繁
殖。植物病毒是农作物的主要病原体之一, 严重危
害农作物的产量和品质。植物病毒的研究始于 19世
纪 90年代, 研究人员发现烟草花叶病毒侵染烟草后
会在叶片上形成叶斑 [1], 进而影响烟叶的品质和
产量。
植物病毒依据其基因组构成 , 分为单链正义
RNA病毒(马铃薯Y病毒科Potyviridae, 黄症病毒科
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Luteoviridae, 番茄丛矮病毒科 Tombusviridae, 雀麦
花叶病毒科 Bromoviridae 等), 单链反义 RNA 病毒
(蛇形病毒科 Ophioviridae), 双链 RNA 病毒(双分病
毒科 Partitiviridae等), 单链 DNA病毒(双生病毒科
Geminiviridae, 矮缩病毒科 Nanoviridae 等)和双链
DNA病毒(花椰菜花叶病毒科 Caulimoviridae等)[2]。
大约 80%的植物病毒属单链正义 RNA类型[3], 基因
组大小从 2.5 kb 到 10 kb 不等, 多数介于 4~6 kb
之间。
植物病毒自身不能直接侵入植物表皮, 需要借
助无脊椎动物(例如昆虫), 真菌(菌物)或植物表皮的
创伤、气孔等进入植物细胞, 其中 80%的植物病毒
借助昆虫、线虫等载体初侵染[4]。植物病毒在初侵
染的细胞内完成自身的复制, 通过胞间连丝扩散到
邻近细胞, 借助微管组织在植物体内移动、繁殖, 从
而破坏细胞结构, 形成病症, 破坏植物的正常生长
发育。
针对病毒的各个侵染阶段, 植物进化出相应的
防御机制, 依次分为: (1)抵抗病毒载体; (2)抑制病
毒增殖 ; (3)阻止病毒移动 ; (4)降解病毒基因组的
RNA 沉默(图 1)。植物抵抗病毒载体的机制表现在
阻止昆虫等载体介导的病毒入侵, 从而表现出抗性,
主要有两种方式, 一是在表皮形成毛状体或蜡质作
为阻挡昆虫的天然屏障 [5], 二是在体内产生次生代
谢产物或拒食素 [6], 干扰昆虫的摄食行为 , 严重时
可导致昆虫瘫痪死亡, 这一方面本文不作赘述。本
文着重从植物抑制病毒增殖和阻止病毒移动的分子
机制来阐述植物与病毒的互作。

图 1 病毒侵染过程及植物抗性机制
Fig. 1 Viral infection approaches and plant resistance mechanisms

1 植物抑制病毒增殖的分子机制
1.1 病毒的胞内复制机制
植物病毒侵入寄主细胞后 , 依赖寄主的核糖
体、复制酶系及其他必需物质进行自身的复制。植
物病毒的遗传构成和寄主范围差异很大, 但复制过
程大体相同, 其中对单链正义RNA病毒的复制过程
研究得最多[7-8]。单链正义 RNA 病毒侵入植物细胞
后, 病毒的 RNA 指导合成一系列蛋白, 并组装成
RNA 复制复合体, 随即以正链 RNA 为模板合成负
链 RNA, 接着以负链 RNA 为模板合成更多的正链
RNA, 然后以不同的形式在植物细胞内移动, 同时
第 5期 侯 静等: 植物抗病毒侵染的分子机制 763


被包裹成病毒粒以便进一步侵染。
单链正义RNA病毒复制依赖寄主翻译系统, 目
前了解最多的是真核翻译起始因子 eIF4E (eu-
karyotic translation initiation factor 4E)和 eIF4G (eu-
karyotic translation initiation factor 4G)[9], 它们参与
正链 RNA 的翻译。病毒侵入细胞后, 正链 RNA 完
全依赖寄主的翻译体系, 指导合成自身基因组编码
的蛋白, 包括依赖 RNA 的 RNA 聚合酶(RNA-depe-
ndent RNA polymerase, RdRP)、移动蛋白(movement
protein, MP)和衣壳蛋白(coat protein, CP)[8], 从而进
一步完成自身RNA的复制和蛋白的合成, 以及在寄
主细胞间的移动。
1.2 植物抑制病毒胞内增殖的隐性抗病机制
病毒需要借助植物的翻译和复制系统来完成基
因组RNA的翻译及自身的复制, 而植物翻译和复制
系统中相关蛋白因子的功能丧失或者以病毒不能识
别的方式存在时, 病毒就无法在寄主体内完成增殖,
致使植株获得对病毒的抗性, 这类抗病基因通常为
隐性抗病基因[10], eIF4E和 eIF4G蛋白家族介导的抗
病就属于这类抗性。
eIF4E 蛋白家族可与真核 mRNA 的 5帽子结构
相结合, 而 eIF4G是支架蛋白, 能将 eIF4E和其他起
始因子结合形成 eIF4F复合体, 进而起始蛋白合成。
Leonard 等[11]研究发现芫菁花叶病毒(Turnip mosaic
virus, TuMV, 属于马铃薯Y病毒属 Potyvirus)的VPg
蛋白(viral protein linked to the genome)发生突变后,
不能在寄主体内增殖。随后的研究证实, Potyvirus
RNA 的 5′端虽没有帽子结构, 但可共价连接病毒的
VPg蛋白, 类似帽子结构[9], 而VPg蛋白与 eIF4E或
异型体 eIF(iso)4E的结合是病毒翻译蛋白所必需的。
随后的一系列研究进一步验证了 Potyvirus VPg蛋白
和 eIF4E 蛋白家族之间的互作, 从而揭示了 eIF4E
蛋白家族介导的隐性抗病机制。
辣椒的 pvr2隐性抗病位点能抵抗马铃薯Y病毒
(Potato virus Y, PVY)的侵染[12], 互补实验证明 pvr2
基因是 eIF4E的同源基因。番茄中的 pot-1位点也能
抵制 PVY和烟草蚀刻病毒(Tobacco etch virus, TEV)
的侵染, 与辣椒的 pvr2位点为直系同源基因[13]。拟
南芥 lsp1突变体可减弱 TEV和 TuMV的致病力, 而
图位克隆结果显示 LSP1编码 eIF(iso)4E [14]。莴苣的
mo1基因能抵制莴苣花叶病毒(Lettuce mosaic virus,
LMV)[15], mo1基因与 eIF4E基因同源。上述隐性抗
病毒基因编码的都是 eIF4E 蛋白的同源物, 而这些
同源物之间仅少数氨基酸位点有差异。
并不仅仅 eIF4E 同源物介导 Potyvirus 的抗性,
其他病毒属也存在翻译起始因子介导的抗性。大麦
中的 rym4 能抵制大麦黄化花叶病毒(Barley yellow
mosaic virus, BaYMV, 属于大麦黄化花叶病毒属
Bymovirus)的侵染[16-17]; 甜瓜中的 nsv基因能抵制甜瓜
坏死斑病毒(Melon necrotic spot virus, MNSV, 属于香
石竹斑驳病毒属 Carmovirus)的侵染[18]。而有关 nsv基
因的研究比较详细, nsv编码 eIF4E同源蛋白。MNSV
RNA的 5′端没有帽子结构, 而 3′端包含一段不依赖帽
子结构的翻译增强子 (cap-independent translational
enhancer, 3′-CITE), MNSV的 3′-CITE可与 eIF4E蛋白
紧密互作起始 RNA的翻译, 而 nsv编码产物不能与
MNSV的 3′-CITE紧密结合, 致使MNSV RNA的翻
译终止, 从而表现出对 MNSV的抗性[18-19]。
除了 eIF4E蛋白家族, eIF4G蛋白家族参与的隐
性抗病机制也有报道。水稻中的隐性基因 rymv1 能
抵制水稻黄斑驳病毒 (Rice yellow mottle virus,
RYMV, 属于南方菜豆花叶病毒属 Sobemovirus)的
侵染[20], 与显性等位基因 Rymv1相比, rymv1编码的
蛋白产物的中部结构域发生变化 , 从而影响病毒
RNA的结合。
有研究表明翻译起始因子不仅仅对病毒的复制
有影响, 还会影响到病毒在细胞内或细胞间的移动,
这部分研究将在后面阐述。
1.3 植物抑制病毒胞内复制的显性抗病机制
除了隐性抗病基因, 植物也拥有抑制病毒胞内
复制的显性基因。如番茄中的 Tm-1基因, 它编码一
种 80 kD 的多肽(p80GCR237), 可抑制番茄花叶病毒
(Tomato mosaic virus, ToMV)的胞内复制, 研究表明
p80 可与病毒复制蛋白结合, 阻止病毒复制复合体
的形成[21]。
最近的研究发现烟草接种黄瓜花叶病毒
(Cucumber mosaic virus, CMV)和烟草花叶病毒
(Tobacco mosaic virus, TMV)后, 可特异性表达一种
h型硫氧还蛋白(h-type thioredoxin in Nicotiana ta-
bacum, NtTRXh3), 过表达 NtTRXh3 的烟草较对照
组也表现出明显的 CMV和 TMV抗性; 而该基因沉
默后, 烟草的感病程度增加[22]。另有研究发现, 植
物中的硫氧还蛋白通过感知病原菌入侵后细胞
内的氧化还原状态 , 调节病程相关基因非表达子
(nonexpressor of pathogenesis-related genes 1, NPR1)
的构象变化, 诱导病程相关基因的表达, 致使植株
764 作 物 学 报 第 38卷

产生抗病性[23]。
除了以上显性基因外 , 也有典型的 NBS-LRR
蛋白能限制病毒复制, 这部分我们将在植物阻止病
毒移动的显性抗病机制一节中系统阐述。
1.4 植物内膜系统与病毒的胞内复制
病毒可诱导寄主细胞的内膜或细胞器如内质
网、过氧化物酶体重构形成特异的细胞结构, 如小
球体(spherules)、小泡(vesicles)、多泡体(multivesi-
cular bodies)等, 包裹病毒复制复合体, 为病毒提供
特异的复制环境[2]。
相关研究证明单链正义 RNA 病毒的复制复合
体与细胞内膜有着密不可分的联系[24-27], 研究酵母
雀麦草花叶病毒(Brome mosaic virus, BMV)复制时
发现, 酵母的 OLE1 基因部分功能缺失后, 严重抑
制 BMV 的 RNA 复制[28]。OLE1 基因编码 Δ9 脂肪
酸去饱和酶 , 该酶参与合成不饱和脂肪酸(unsatu-
rated fatty acids, UFA)。不饱和脂肪酸的合成受阻并
不影响膜的形成, 但扰乱膜磷脂中不饱和脂肪酸和
饱和脂肪酸的平衡, 从而影响膜的流动性和其他物
理特性。虽然不饱和脂肪酸不是 BMV 复制所必需
的, 但是 OLE1突变揭示了 BMV复制高度依赖类脂
双层膜中脂肪酸的构成。
另外, 内膜附着的功能蛋白也使内膜系统在病
毒的复制过程中起重要作用。研究烟草花叶病毒
(Tobacco mosaic virus, TMV)在拟南芥中复制时发现,
TMV在突变体 tom1 (tobamovirus multiplication 1)和
tom2a 中的复制被阻断。研究发现 TOM1 基因编码
一种跨膜蛋白, 有 7 个跨膜区, TOM1 蛋白与 TMV
解螺旋酶结构域的多肽互作, 从而将病毒复制复合
体整合在细胞内膜上[29]。TOM2A基因也编码一种跨膜
蛋白, 有 4个跨膜区, TOM2A蛋白可与自身和 TOM1
蛋白形成多聚体, 促进 TOM1 蛋白和病毒复制蛋白
结合到内膜上 , 或征募更多参与病毒复制的寄主
蛋白[30]。
2 植物阻止病毒移动的分子机制
2.1 病毒的胞间移动机制
病毒在胞内完成复制后 , 可借助寄主的微管
(microtubules, MT)或微丝(microfilaments, MF)移动
到胞间连丝(plasmodesmata, PD), 并通过胞间连丝
扩散到邻近细胞, 完成胞内和胞间的移动。
病毒借助胞间连丝向邻近细胞移动的方式有 2
种, 一是由病毒的移动蛋白整合成管状通道, 插入
到因病毒侵染孔径加大的胞间连丝中, 病毒粒由管
状通道移动到邻近细胞, 这类病毒有豇豆花叶病毒
属(Comovirus)、线虫传多面体病毒属(Nepovirus)、
油橄榄病毒属 (Oleavirus)、苜蓿花叶病毒属
(Alfamovirus)、雀麦花叶病毒属(Bromovirus)和纤毛
病毒属(Trichovirus)等。其中典型的例子是葡萄扇叶病
毒(Grapevine fanleaf virus, GFLV, 属于 Nepovirus)[31],
GFLV 在细胞内完成复制后, 组装成病毒粒, 与自身
编码的移动蛋白结合, 并在胞质中扩散。寄主细胞
的胞间连丝定位蛋白(plasmodesnata localized-proteins,
PDLPs), 通过组成型分泌途径扩散至胞间连丝, 当病
毒的移动蛋白遇到 PDLPs后, 在 PDLPs的辅助下组
装成管状通道插入到胞间连丝中, 促使病毒粒通过
管状通道扩散至邻近细胞[32]。
另一种不形成管状通道, 这类病毒包括烟草花
叶病毒属 (Tobamovirus)、麝香石竹环斑病毒属
(Dianthovirus)、甜菜坏死黄脉病毒属(Benyvirus)、
烟草脆裂病毒属 (Tobravirus)、番茄丛矮病毒属
(Tombusvirus)和大麦病毒属(Hordeivirus)等, 其中对
于烟草花叶病毒属的烟草花叶病毒(TMV)研究得最
多。综合研究结果[31,33]对 TMV 移动过程的推测是,
TMV在内质网上完成复制后, 病毒复制复合体将病
毒的 RNA(vRNA)和移动蛋白释放出来, 在微管蛋
白的辅助下 , 整合成病毒核酸蛋白复合物 (vRNP
complex), 进而借助微管蛋白和内质网上的肌动蛋
白移动至胞间连丝, 当抵达胞间连丝孔径时, 移动
蛋白聚集葡聚糖酶降解胞间连丝孔径处的胼胝质 ,
以扩大孔径, 从而使病毒核酸蛋白复合物沿着连丝
微管在离子流的引导下, 通过胞间连丝扩散到邻近
细胞。
2.2 植物阻止病毒胞间移动的隐性抗病机制
病毒的胞间移动依赖于很多寄主蛋白, 这些蛋
白的功能缺失或构象变化可限制病毒的移动。有研
究表明真核翻译起始因子 eIF4E 的突变也能影响病
毒的移动。拟南芥 cum1突变体能限制黄瓜花叶病毒
(Cucumber mosaic virus, CMV)的移动, cum1突变体
的原生质体中CMV的RNA和衣壳蛋白能正常累积,
而与移动相关的蛋白累积程度明显低于野生型, 同
源分析显示 cum1 基因编码 eIF4E, 突变后的 eIF4E
不能和病毒移动蛋白的 mRNA 结合, 从而影响移动
蛋白的生成, 限制病毒的移动[34]。豌豆的 sbm1基因
编码 eIF4E, 功能互补结果显示, 显性等位基因编码
产物不仅能恢复豌豆种传花叶病毒(Pea seed-borne
第 5期 侯 静等: 植物抗病毒侵染的分子机制 765


mosaic virus, PSbMV)的复制功能, 还可以促进病毒
在细胞间的移动, 致使豌豆感病[35]。
2.3 植物阻止病毒胞间移动的显性抗病机制
除了隐性抗病因子, 植物还能“主动”识别病毒,
并启动防御反应 , 引发过敏性坏死 (hypersensitive
response, HR)限制病毒的移动。植物的这类因子被
称为 R (resistance)蛋白, R蛋白识别的病毒编码因子
为 Avr (avirulence)蛋白。目前分离到的 R 蛋白, 多
数属于 NBS-LRR 类蛋白, 其结构特征为中部具核
酸结合功能域(nuclear-binding domain, NB), C端富
含亮氨酸重复功能域 (leucine-rich repeat domain,
LRR), 其间有 ARC (Apaf1, R 蛋白和 CED4)结构,
NB和 ARC常常并称为 NB-ARC或 NBS区[36], N端
结构域变化较大, 依据 N端的结构又将 R蛋白分成两
类, 一类是 N 端为 Toll/白介素-1 受体结构域的 TIR-
NBS-LRR 蛋白, 另一类是 N 端为卷曲螺旋结构域的
CC-NBS-LRR蛋白。研究表明 R蛋白并不是直接作
用于病毒的 Avr蛋白, 最流行的作用机制是“防卫假
说(guard hypothesis)”, 这里不详述。R蛋白识别 Avr
蛋白后启动植物防御反应, 通常认为 R蛋白通过与
其结合的蛋白复合体行使识别功能和启动防御
功能[37]。
烟草中的 N 基因, 是第一个被分离到的抗病毒
基因, 它编码一种胞质内定位蛋白, 具有 TIR-NBS-
LRR结构[38]。N蛋白的 TIR结构域可识别烟草花叶
病毒(TMV)复制酶的螺旋结构域(p50)[39]。近期研究
表明, N受体互作蛋白(N receptor-interacting protein,
NRIP1)与 TMV的 p50结合后, 由初始合成部位叶绿
体移动至细胞质, 与烟草的 N 蛋白互作[40], 激活信
号防御机制, 导致细胞过敏性坏死, 进而限制病毒
的侵染。马铃薯的 Y-1基因和菜豆的 RT4-4基因, 也
编码具有 TIR-NBS-LRR结构的 R蛋白, 马铃薯 Y-1
基因可抵制马铃薯 Y 病毒(PVY)的侵染, 目前还没
有发现它识别何种病毒蛋白[41]。菜豆的 RT4-4 基因
可抵制黄瓜花叶病毒(CMV)的侵染, 而 CMV 中 2a
的编码产物可诱发 RT4-4 基因介导的过敏性坏死
反应[42]。
大豆花叶病毒(Soybean mosaic virus, SMV)的
G7 和 G7d 病毒株可诱发大豆 Rsv1 基因介导的 HR,
Rsv1识别 SMV的 P3蛋白[43]。P3 蛋白的功能未知,
但有研究指出 P3 蛋白能与 SMV 的核内含体蛋白 b
(nuclear inclusion b, NIb)互作, NIb是 SMV的复制
酶[44], 这表明 P3 蛋白有可能作为 SMV 复制复合体
的一部分, 参与 SMV的基因组复制过程。
番茄的 Tm-22基因, 编码 CC-NBS-LRR蛋白[45],
识别番茄花叶病毒(ToMV)移动蛋白(MP)的 C端, 而
移动蛋白 C端缺失的病毒突变株能够在番茄叶片中
移动, 从而克服番茄 Tm-22 基因的抗性[46]。番茄的
Sw-5基因, 同样编码 CC-NBS-LRR蛋白, 可抵制番
茄斑萎病毒(Tomato spotted wilt virus, TSWV)的侵染,
限制病毒的移动[47]。TSWV移动蛋白的第 118位氨
基酸由半胱氨酸(C)变成酪氨酸(Y)(C118Y)或第 120
位氨基酸由苏氨酸 (T)变成天冬氨酸 (N)(T120N)都
能使病毒克服 Sw-5 的抗性[48], 这说明番茄 Sw-5 蛋
白产物能与 TSWV 的移动蛋白互作 , 引发抗性
反应。
拟南芥的 HRT 基因, 编码 CC-NBS-LRR 蛋白,
识别芫菁皱缩病毒(Turnip crinkle virus, TCV)的衣壳
蛋白(CP)[49], TCV的衣壳蛋白与拟南芥的 TCV互作
蛋白(TCV-interacting protein, TIP)结合后被 HRT识
别, 启动抗性反应[50]。而与其高度同源的 RCY1 识
别黄瓜花叶病毒 -黄化株系 (CMV-Y)的衣壳蛋白
(CP)[51]。值得一提的是, HRT和 RCY1与拟南芥抗霜
霉菌的 RPP8 基因高度同源, 表明同一基因的不同等
位基因型可以抵抗不同的病原菌 , 而 RPP8/HRT/
RCY1 基因家族有可能演化出一系列基因型抵抗更多
的病原菌[49]。尽管 HRT和 RCY1都识别病毒的衣壳蛋
白, 但它们的信号防御通路并不相同[49,51]。
还有一些 R 基因能够快速响应病毒的侵入, 将
病毒的侵染限制在单细胞水平上, 抑制病毒的积累,
而植物无外在症状或叶片上仅有极小的坏死点, 这
类 R 基因介导的抗性被称为极端抗性(extreme re-
sistance, ER)或细胞水平抗性(cellular resistance)[52],
我们归类这类 R 基因为抵制病毒复制的显性抗病基
因, 如马铃薯的 Ry 基因、Rx 基因。这与典型的 R
基因所介导的 HR反应不同, Bendahmane等[53]提出
假设认为, ER和 HR是植物对病毒的 2种抗性响应,
如果病毒侵染能激活 ER, 就会限制病毒的积累, 如
果不能激活 ER, 那么 HR 便发挥作用, 限制病毒的
扩散, 对这一假说仍需进一步考证。
马铃薯的 Ry 基因, 位于马铃薯第 11 染色体上
一段 NBS-LRR 序列簇上, 介导对马铃薯 Y 病毒
(PVY)的完全抗性 , 而 PVY 的核内含体蛋白酶 a
(nuclear inclusion a protease, NIaPro)能诱发 Ry介导
的抗性反应[54], 而 NIaPro 的活性并不能诱发 Ry 的
抗性反应, 表明 NIaPro 和 Ry 的编码产物可能通过
766 作 物 学 报 第 38卷

蛋白互作或其他的方式相互作用[55]。
马铃薯的 Rx 基因, 介导 PVX 的衣壳蛋白(CP)
诱发的完全抗性[53]。Rx 基因编码 CC-NBS-LRR 蛋
白, 在病毒 CP蛋白存在的情况下, Rx蛋白识别 CP
蛋白 , 同时自身的构象也发生变化 , Rx 蛋白的
NBS-LRR构象转变成具有结合核酸的活性状态, 与
自身的 CC结构域互作, 进而启动下游信号通路[56]。
2.4 植物阻止病毒长距离移动的抗性机制
与病毒的胞间移动相比, 长距离移动的机制更
复杂, 病毒需要穿过多种细胞或组织, 包括叶肉细
胞、维管束鞘、维管薄壁组织、伴细胞和筛管, 并
借助维管系统在植株间移动。目前还没有分离到参
与长距离移动的寄主蛋白, 但对限制病毒移动的蛋
白因子时有报道。
Ueki 等[57]研究发现烟草中的一种富含谷氨酸的蛋
白 (cdiGRP), 经化学诱导后可阻碍芫菁脉明病毒
(Turnip vein clearing virus, TVCV)的病毒粒从韧皮
部转移出去, 从而抑制病毒的积累。
在对拟南芥的研究中发现, 不同生态型对烟草
蚀刻病毒(TEV)的系统性侵染反应不同, Col-0 型拟
南芥不限制病毒复制和胞间移动, 但能阻止病毒在
植株内的系统性移动, 从而限制 TEV 的系统性致
病。而拟南芥的 RTM1 (restricted TEV movement 1)、
RTM2和 RTM3位点分别突变后接种 TEV, 拟南芥整
株感病, 这从反面表明这 3个位点对 TEV在植物内
的系统移动有抑制作用。RTM1 编码一种榴莲凝素
蛋白, RTM2的 N端编码一种小的热激蛋白, C端为
跨膜结构, 这两种蛋白都在韧皮部表达[58], RTM3编码
一种未知蛋白, N 端为 MATH 结构(meprin-associated
TRAF homology), C端为螺旋卷曲结构。蛋白互作分
析显示RTM3既可以和RTM1也可以和自身互作结合,
与RTM2不直接互作, 这从侧面表明RTM蛋白可能以
多聚蛋白的形式抵制 TEV的长距离移动[59]。这 3个位
点突变后对莴苣花叶病毒 (Lettuce mosaic virus,
LMV)和洋李痘疱病毒 (Plum pox virus, PPV)也有
影响[60-61]。
3 RNA沉默介导的植物抗病毒机制
3.1 植物的 RNA沉默抗性
植物抵抗病毒的方式多种多样, 除了抗病基因
介导的抗性机制外, 近年来又发现了 RNA沉默介导
的抗性机制。RNA沉默抗性机制是指病毒侵入寄主
细胞后, 病毒的 dsRNA 被植物的 DCL (Dicer-like)
核酸酶加工成 vsiRNA (virus short interfering RNA),
随后 vsiRNA与 AGO蛋白结合, 降解与 vsiRNAs互
补配对的长链病毒 RNA, 从而抵制病毒的侵染。
RNA或 DNA病毒的 dsRNA来源于病毒复制过程中
形成的中间体或长链病毒 RNA的自身配对[62-64]。除
此之外, 植物自身的 RDRs (RNA dependent RNA
polymerases)也可以利用病毒的 RNA 作模板合成
dsRNA, 随后被 DCL 加工成 siRNA, 称为次级
vsiRNAs, 参与 RNA沉默过程[65]。
植物的 RNA 沉默抗性机制是植物体内响应病
毒的天然抗性机制, 病毒的dsRNA可作为病毒的病原
相关分子模式(pathogen-associated molecular pattern,
PAMP), 而植物的 DCL 作为感应因子可 “识别 ”
dsRNA[66]。拟南芥基因组编码 4种 DCL核酸酶[67-68]。
DCL4起主导作用, 加工 dsRNA生成 21个核苷酸的
vsiRNA, 它是病毒侵染细胞中数量最多的 vsiRNA;
DCL2可替代 DCL4, 作用于 dsRNA并产生 22个核
苷酸的 vsiRNA; DCL3可以作用于 dsRNA, 产生 24
个核苷酸的 vsiRNA[69-70]。而 DCL1只有在其他 3种
DCL 酶都失去活性的时候 , 才能有机会作用于
dsRNA[71]。
dsRNA被 DCL加工成 vsiRNAs后, vsiRNAs与
靶标 RNA 互补配对, 并在 AGO 蛋白的作用下, 降
解靶标 RNA。拟南芥共编码 10种 AGO蛋白, 目前
研究的只有 4 种。AGO1 和 AGO7 拥有切割(slicer)
活性, 能裂解 vsiRNAs与靶标 RNA互补序列的中间
部分[72], AGO4 和 AGO6 是维持 DNA 甲基化必需
的[73]。vsiRNAs 可通过 5′端的特异核苷酸与不同的
AGO蛋白复合物互作[74]。
3.2 病毒的 RNA沉默抑制
伴随着植物抗病毒的RNA沉默机制, 植物病毒
也编码相应的 RNA 沉默抑制因子(viral suppressor
of RNA silencing, VSR)阻断或干扰植物的沉默机制,
病毒的 VSR 在致病过程中至关重要。关于 VSR 的
研究有很多, 有的研究认为与 dsRNA或 siRNA结合
是 VSR 的主要作用方式[75], 而后来一些研究证实
VSR 还有其他的作用方式。芫菁皱缩病毒 TCV 的
P38 蛋白可以和不同的 dsRNA 结合, 能与 DCL4 竞
争结合位点, 阻止 DCL4 与病毒 dsRNA 的结合[71],
从而阻止 RNA 沉默。也有与 dsRNA 加工后的
vsiRNA 结合的 VSR, 番茄丛矮病毒(Tomato bushy
stunt virus, TBSV)的 P19抑制因子能与 vsiRNA结合,
阻止 vsiRNA并入 RISC, 从而抑制 RNA沉默[76]; 另
第 5期 侯 静等: 植物抗病毒侵染的分子机制 767


外, 烟草蚀刻病毒的HcPro蛋白能抑制 vsiRNA复合
体的解链, 从而阻止 RISC 的组装, 进而抑制 RNA
沉默[77]。还有一些 VSR能抑制 AGO蛋白的作用, 阻
止 RISC降解靶标 RNA, 黄瓜花叶病毒的 2b蛋白能
阻断拟南芥 AGO1 蛋白的切割活性[78]; 马铃薯卷叶
病毒属(Poleorvirus)的 P0 蛋白[79]可与 RISC 的某一
组分结合, 从而阻止 siRNA和AGO1组合形成 RISC,
而未参与组装的 AGO1蛋白则被泛素化介导的蛋白
酶系统降解[80]。
4 植物抗病毒侵染的遗传改良
防御病毒侵染的方法有多种, 如选择和繁殖无
毒种子或母株 , 或喷洒杀虫剂阻止昆虫的传播等 ,
但与之相比, 利用植物自身的遗传抗性则既省时又
省力。随着抗病基因的大量发掘和抗病机制的深入
阐述, 通过遗传手段来解决农作物生产中的抗病毒
问题变得愈来愈切实可行。相关的解决方案包括分
子标记辅助选择育种(marker-assisted selection breed-
ing, MAS), 定向诱导基因组局部突变技术(targeting
induced local lesions in genomes, TILLING)和转基因
技术。
首选的是分子标记辅助选择育种, MAS是指利
用目标基因的序列发展分子标记, 利用分子标记筛
选含有目标基因的植株, 这比依据抗性表型来选择
带有目标基因的植株要可靠得多。对于已挖掘的显
性或隐性抗病基因, 都可以发展分子标记, 将抗病
基因导入或整合到感病植株中, 培育抗病品种。
针对寄主中某些基因的突变可能演化成隐性抗
病毒基因这一特性, 可以利用 TILLING技术进行作
物抗病改良。以 EMS 处理诱导大量单核苷酸突变,
应用 TILLING技术检测发生突变的基因, 进而筛选
有利的抗性突变 [81]。最近报道了利用番茄的
TILLING 平台对 eIF4E 和 eIF4G 基因序列扫描, 检
测到一个剪切突变, Sl-eIF4E1 G1485A。在该突变体
中, eIF4E基因的第 2和第 3外显子拼接有误, 导致
转录本截短, 翻译生成的 eIF4E 蛋白没有帽子结合
活性, 因而使突变体获得病毒抗性[82]。
转基因技术很早就被用于作物抗性的改良。最
早报道的是在烟草中转入病毒的衣壳蛋白[83], 高表
达病毒衣壳蛋白的转基因烟草在接种 TMV 后, 延
缓出现感病症状或无症状。但这一技术存在潜在的
风险 , 转入的病毒基因可能会与非靶标病毒重组 ;
转基因植物合成的衣壳蛋白可能包裹非靶标病毒而
传播; 还可能与非靶标病毒协同危害植物; 转基因
植物的花粉会漂移进入野生近源物种; 还有可能产
生新的毒性蛋白。种种潜在的风险使人们对这一类
型的转基因抗病改良途径望而却步。
RNAi 干扰技术的出现为转基因抗病育种带来
了新的生机。将外源小 RNA (artificial microRNAs,
amiRNAs)转入拟南芥中, 能降解芫菁黄化花叶病毒
(Turnip yellow mosaic virus, TYMV)的 P69 蛋白和
TuMV的 HC-Pro蛋白[84], P69蛋白和 HC-Pro蛋白都
是病毒抑制 RNA沉默的抑制因子, 转基因拟南芥中
大量表达的 amiRNAs可互补结合 P69和 HC-Pro的
mRNA, 介导 P69和 HC-Pro的 mRNA降解, 从而抑
制病毒的增殖。对于转 amiRNA 的植株除花粉漂移
外 , 不存在其他的风险 , 可最大限度降低转
amiRNA 植株对环境的影响。将带有病毒功能基因
特异序列的反向重复构件(inverted-repeat construct,
IR construct)转入水稻中, 可降解病毒的功能蛋白,
抑制病毒的复制和扩散。基因 pC3编码水稻条纹病
毒(Rice stripe virus, RSV)的衣壳蛋白(nucleocapsid
protein), 基因 pC4编码 RSV的移动蛋白, 在转基因
水稻体内, pC3 和 pC4 基因反向重复构件能大量表
达双链 RNA, 随后被加工成小干扰 RNA (small in-
terfering RNA, siRNA), 进而激活水稻的 RNA沉默
机制 , 抑制病毒功能蛋白的翻译 , 限制病毒的增
殖[85]。另外, 体外转入水稻黑条矮缩病毒(Rice black
streaked dwarf virus, RBSDV) P9-1基因的 RNA干扰
构件 (RNAi construct), 能使转基因水稻有效抵制
RBSDV 的侵染, P9-1 并不是 RBSDV 的结构蛋白,
而是 RBSDV 在寄主体内复制时所形成的病毒质
(viroplasm)的组分蛋白 , 可影响病毒在植物体内的
复制 [86]; 类似的还有转入水稻矮缩病毒(Rice dwarf
virus, RDV) Pns12基因的 RNA干扰构建, 同样能帮
助水稻抵制 RDV的侵染, Pns12是 RDV病毒质的基
质蛋白[87]。
5 结语
病毒是专性胞内寄生病原微生物, 它能巧妙地
利用寄主的复制酶系完成自身的繁殖, 而寄主也相
应地采取一些防御措施来抵制病毒的侵染。文章中
主要提到两大类基因, 一是隐性抗病基因(表 1), 它
对应的显性等位基因主要编码病毒侵染所必需的寄
主蛋白因子, 其功能缺失或构象变化, 均能影响病
毒的侵染; 另一种为显性抗病基因(表 2), 主要编码
引起 HR反应的 NBS-LRR蛋白, 这类蛋白可诱发寄
主的信号防御反应 , 造成侵染组织的过敏性坏死 ,
表 1 隐性抗病毒基因一览表
Table 1 A list of the recessive viral resistance genes
基因
Gene
寄主
Host
R蛋白结构
R protein structure
病毒
Virus
参考文献
Reference
与病毒增殖相关的隐性抗病基因 Recessive resistance genes related to viral multiplication
pvr2 胡椒 Pepper eIF4E/eIF(iso)4E 马铃薯 Y病毒(Potato virus Y, PVY), 烟草蚀刻病毒(Tobacco etch virus, TEV) 12
pot-1 番茄 Tomato eIF4E/eIF(iso)4E 马铃薯 Y病毒(Potato virus Y, PVY), 烟草蚀刻病毒(Tobacco etch virus, TEV) 13
lsp1 拟南芥 A. thaliana eIF4E/eIF(iso)4E 芫菁花叶病毒(Turnip mosaic virus, TuMV), 烟草蚀刻病毒(Tobacco etch virus, TEV) 14
mo1 莴苣 Lettuce eIF4E/eIF(iso)4E 莴苣花叶病毒(Lettuce mosaic virus, LMV) 15
rym4 大麦 Barley eIF4E/eIF(iso)4E 大麦黄化花叶病毒(Barley yellow mosaic virus, BaYMV) 16, 17
nsv 甜瓜 Melon eIF4E/eIF(iso)4E 甜瓜坏死斑病毒(Melon necrotic spot virus, MNSV) 18, 19
rymv1 水稻 Rice eIF4G/eIF(iso)4G 水稻黄斑驳病毒(Rice yellow mottle virus, RYMV) 20
与病毒移动相关的隐性抗病基因 Recessive resistance genes related to viral cell to cell movement
cum1 拟南芥 A. thaliana eIF4E/eIF(iso)4E 黄瓜花叶病毒(Cucumber mosaic virus, CMV) 35
sbm1 豌豆 Pea eIF4E/eIF(iso)4E 豌豆种传花叶病毒(Pea seed-borne mosaic virus, PSbMV) 36

表 2 显性抗病毒基因一览表
Table 2 A list of the dominant viral resistance genes
基因
Gene
寄主
Host
R蛋白结构
R protein structure
病毒
Virus
Avr决定因子
Avr determinant
参考文献
Reference
与病毒增殖相关的显性抗病基因 Dominant resistance gene related with virus multiplication
Tm-1 番茄 Tomato 80 kD多肽 Polypeptide of 80 kD 番茄花叶病毒 Tomato mosaic virus, ToMV — 21
OLE1 酵母 Yeast Δ9脂肪酸去饱和酶 Δ9 fatty acid desaturase 雀麦草花叶病毒Brome mosaic virus, BMV — 28
TOM1 拟南芥 A. thaliana 7次跨膜蛋白 Seven-pass transmembrane
protein
烟草花叶病毒 Tobacco mosaic virus, TMV — 29
TOM2A 拟南芥 A. thaliana 4次跨膜蛋白 Four-pass transmembrane
protein
烟草花叶病毒 Tobacco mosaic virus, TMV — 30
Ry 马铃薯 Potato NBS-LRR 马铃薯 Y病毒 Potato virus Y, PVY 核内含体蛋白酶 a Nuclear inclusion a protease (NIaPro) 54, 55
Rx 马铃薯 Potato CC-NBS-LRR 马铃薯 X病毒 Potato virus X, PVX 衣壳蛋白 Coat protein (CP) 56, 57
与病毒移动相关的显性抗病基因 Dominant resistance genes related to viral cell to cell movement
N 烟草 Tobacco TIR-NBS-LRR 烟草花叶病毒 Tobacco mosaic virus, TMV 复制酶 Replicase 39, 40
Y-1 马铃薯 Potato TIR-NBS-LRR 马铃薯 Y病毒 Potato virus Y, PVY — 41
RT4-4 菜豆 Common bean TIR-NBS-LRR 黄瓜花叶病毒Cucumber mosaic virus, CMV 2a 42
Rsv1 大豆 Soybean CC-NBS-LRR 大豆花叶病毒 Soybean mosaic virus, SMV P3 43, 44
Tm-22 番茄 Tomato CC-NBS-LRR 番茄花叶病毒 Tomato mosaic virus, ToMV 移动蛋白Movement protein (MP) 45, 46
Sw-5 番茄 Tomato CC-NBS-LRR 番茄斑萎病毒 Tomato spotted wilt virus,
TSWV
移动蛋白Movement protein (MP) 47, 48
HRT 拟南芥 A. thaliana CC- NBS-LRR 芫菁皱缩病毒 Turnip crinkle virus, TCV 衣壳蛋白 Coat protein (CP) 49
RCY1 拟南芥 A. thaliana CC- NBS-LRR 黄瓜花叶病毒-黄化株系 CMV-Y 衣壳蛋白 Coat protein (CP) 51
RTM1 拟南芥 A. thaliana 榴莲凝素蛋白 Jacalin 烟草蚀刻病毒 Tobacco etch virus, TEV — 59
RTM2 拟南芥 A. thaliana 热激蛋白-跨膜 Heat shock proteins-
transmembrane
烟草蚀刻病毒 Tobacco etch virus, TEV — 59
RTM3 拟南芥 A. thaliana MATH-CC 烟草蚀刻病毒 Tobacco etch virus, TEV — 60

第 5期 侯 静等: 植物抗病毒侵染的分子机制 769


从而限制病毒的进一步侵染。此外, 还有植物自身
的天然 RNA沉默免疫抗性。应在现有的种质资源中
大量发掘抗病毒基因, 深入了解抗病机制, 利用非
转基因的分子标记辅助选择和 TILLING 技术从遗
传上改良植物的抗性。另外, 转基因的 RNA干扰技
术针对性强, 改良效果明显, 不失为一种积极有效
的抗病毒方法。总之, 生物技术结合常规育种是目
前选育抗病毒材料最积极有效的途径。
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