第四章植物病毒

第四章植物病毒 第一节概述一、病毒的定义 • 病毒（virus）是一组（一种或一种以上）DNA或RNA核酸分子，包裹在蛋白或脂蛋白外壳内，在合适的寄主细胞借助于寄主蛋白合成体系、物质和能量完成自我复制。 • 主要特征：①结构简单的（核酸+蛋白或脂蛋白衣壳）；②严格专性寄生的（依赖寄主的核酸和蛋白质合成系统）；③非细胞生物（分子寄生物）。

根据病毒的寄主类型，习惯上将病毒划归为下列几大类群：根据病毒的寄主类型，习惯上将病毒划归为下列几大类群：寄生植物的称为植物病毒（plant virus）；寄生动物的称为动物病毒（animal virus）；医学病毒（人类病毒）；真菌病毒；寄生细菌的称为噬菌体（细菌病毒 bacteriophage）。

二、病毒与人类的关系 有害方面： ▲引起人类疾病（天花、爱滋病、非典型肺炎、肝炎、流感、小儿麻痺等）。 ▲引起畜禽疾病（狂犬病、口蹄疫、猪瘟、牛瘟、鸡瘟、鸭瘟）。 ▲引起植物病害。有益方面： ▲用作基因工程的载体或元件。 ▲有害生物控制（害虫、真菌及杂草生防）。 ▲环境保护（利用藻类病毒消除水面藻类污染）。 ▲花卉增色（金心黄杨、金边瑞香、杂色郁金香）。

非典型肺炎”元凶冠状病毒

目前已研究和命名的植物病毒达1000多种，其中许多为重要的农作物病原，其所造成的损失仅次于真菌病害。 水稻东格鲁病（Rice tungro）在东南亚一些国家是最具有毁灭性的病毒病，上世纪中期仅菲律宾每年因此病所致的稻谷损失即达140万吨；水稻矮缩病（Rice dwarf）于19世纪末在日本一些地区流行，曾因此饿死1万多人；

水稻东格鲁病 • 主要发生在我国南方稻区。受害植株矮缩和叶片变色，生长衰退，叶片颜色为橙色至黄色。籼稻染病多为橙色或稍带红色，又叫红叶病。粳稻染病多呈黄色。嫩叶上现斑驳，老叶上现锈色斑点。东格鲁系菲律宾土语，表示衰退的意思。

在我国北方麦区间歇性暴发的小麦黄矮病（Barley yellow dwarf）平均造成30%的产量损失。在油菜上，因病毒病造成的产量损失常年达20~30%。甜菜曲顶病（Beet curly top）、香蕉束顶病（Banana bunchy top）等几乎对一些产区造成了毁灭性打击。小麦黄矮病

原核生物 原核生物界细胞生物动物界植物界真核生物菌物界生物原生生物界真病毒分子生物病毒界？类病毒亚病毒拟病毒朊病毒三、病毒在生物中的地位

四、植物病毒学发展简史 1、病毒的发现 ◆ 公元10世纪（北宋），人工免疫预防天花（中国）。 ◆ 1798，英国人Edward Jenner发明牛痘疫苗。 ◆ 1576，荷兰人Charles de Lieclase描述郁金香杂色花。“郁金香热”。一株郁金香（球根）：数头牛、猪、绵羊；几顿谷物；上千磅奶酪；一个磨坊。 ◆ 1886年，德国人Mayer证明烟草花叶病（TMV）具有传染性（认为是细菌）。 ◆ 1892年，俄国人Ivanowski发现烟草花叶病病原（TMV）可通过细菌过滤器（认为是微小细菌）。 ◆ 1898年，荷兰人Beijerinck重复上述研究，提出病原不是细菌，而是“可过滤性病毒” 。提出“病毒”概念，被称为“病毒学之父” 。

2、病毒本质的认识（病毒理化特性） ◆ 1935年，Stanley提纯TMV结晶，获1946年诺贝尔化学奖。 ◆1936年，Bawden发现TMV含有95%的蛋白质和5%的RNA。 ◆1939年，Kausche获得第一张TMV电镜照片。 ◆1944年，Schrodinger发表“ What is Life?”小册子。

3、近代分子生物学时期 ◆1956年，Gierer，Fraenkel-conral等证明TMV的RNA具有侵染性。 ◆1971年，Diener发现类病毒。 ◆1982年，Prusiner发现朊病毒，获1997年诺贝尔奖。 4、现代分子生物学时期 ◆ 1985年，Powell等获得首例转TMV CP基因烟草。

五、植物病毒学发展现状与热点问题 由于分子生物学的发展和电子显微镜的进步，对植物病毒的形态、结构、生物学特性及理化特性都有深入的研究。近年来对植物病毒的研究已进入分子水平，内容包括： 1、病毒基因组及基因功能研究； 2、病毒与寄主植物相互关系研究； 3、生物技术（转基因）培育抗病品种； 4、病毒作为基因工程载体及载体元件的研究。

第二节植物病毒的一般性状 一、植物病毒的形态 @病毒粒体：病毒的基本存在形式（形态）。 @病毒粒体的形态微小，只有在放大数万倍的电镜下才能观察到，其度量单位通常采用纳米（nm，1nm=10-9m）。 @植物病毒粒体形态主要有：球状、线状、杆状、弹状、双联体状、丝线状、柔软不定形等。

◆许多植物病毒由不只一种粒体构成。 烟草脆裂病毒有两种杆状粒体，长的一种为195×25 nm，短的一种为43~110×25 nm；苜蓿花叶病毒有5种粒体组分：大小为58×18、54×18、42×18、30×18、18×10 nm。这些病毒被称为多分体病毒（multicomponent virus），必需有多种病毒粒体组分同时侵染寄主细胞，才能增殖并完成其生物学功能。

二、植物病毒的结构 病毒粒体＝核酸＋和蛋白。中间为核酸芯（RNA或DNA），外部有外壳蛋白（Coat Protein，CP）包被形成衣壳，少数病毒在蛋白衣壳外面还包被一层那囊膜（envelope），称为包膜病毒,如植物弹状病毒。

杆状或线状病毒：蛋白质亚基螺旋状排列，中间是一个由核酸构成的空心管子，核酸也呈螺旋状排列，嵌入到螺旋状排列的蛋白质亚基内端。如，TMV杆状粒体。杆状或线状病毒：蛋白质亚基螺旋状排列，中间是一个由核酸构成的空心管子，核酸也呈螺旋状排列，嵌入到螺旋状排列的蛋白质亚基内端。如，TMV杆状粒体。

TMV：2130个蛋白质亚基；130圈；16 1/3亚基/圈，3圈一个周期，49个亚基/3圈；2.3nm亚基间隔/圈。

球状病毒：蛋白质亚基镶嵌在粒体表面，构成多面体形，内心是病毒的核酸；球状病毒并非光滑的球体，而是多面体（多为二十面体），多个正三角形组合而成。

三、植物病毒组分及其生物学功能 植物病毒的主要成份是核酸和蛋白质，有些还含有少量的金属离子、多胺和水等。（一）核酸核酸是病毒遗传信息的载体，植物病毒粒体中的核酸主要是其基因组，有些含mRNA。一套基因组含有病毒侵染、复制、运转、传播等生命活动所需的全部基因，决定病毒的增殖、生物学特性及致病性等。一种病毒只含有一种核酸（ＤＮＡ或ＲＮＡ）．

植物病毒基因组所包含的基因数目1 个（卫星病毒）---12个（植物呼肠孤病毒），一般为4~7个基因，通常具有外壳蛋白基因、复制酶基因及运动蛋白基因等。大部分植物病毒基因组能编码4~7种蛋白质。

1、植物病毒的核酸类型 植物病毒的基因组多数为核糖核酸（RNA），少数为脱氧核糖核酸（DNA）。根据核酸性质及功能，可将植物病毒基因组分为下列5种类型：

（1）正单链RNA（+ssRNA） 即单链RNA具有侵染性，可以直接翻译，起mRNA的作用。大部分（约70%）重要植物病毒的基因组属这一类型。例如TMV、CMV、PVY、多分体病毒（基因组由几条不同的单链RNA分子组成）。

（2）负单链RNA（-ssRNA） 病毒粒体中的单链RNA不具侵染性，必需先转录成互补链，才能翻译蛋白。植物弹状病毒的基因组属这一类型。如小麦丛矮病。（3）双链RNA（dsRNA）其中一条链具有mRNA的作用。负链变正链才能作为mRNA。植物呼肠孤病毒的基因组属这一类型。水稻矮缩病。

（4）单链DNA（ssDNA） 联体病毒科（Geminiviridae）病毒含有这种类型基因组，复制时单链DNA先合成双链DNA，再以常规途径转录生成mRNA。（5）双链DNA（dsDNA）核酸类型与高等动、植物的相同，为互补的双链DNA，花椰菜花叶病毒属（Caulimovirus）、杆状DNA病毒属（Badnavirus）具有这种类型基因组。

2、病毒粒体核酸含量 球状病毒：15%~45%。线状及杆状病毒：5%~6%。弹状病毒：1%。 3、病毒的多分体现象单体基因组：病毒基因组分布于一条核酸链上。单分体病毒：一个病毒粒体中包含有全套基因组。分段基因组：病毒基因组分布于多条核酸链上。多（双、三）分体病毒：分段基因组分别包装于不同的病毒粒体中。

（二）蛋白质 植物病毒的基因组很小，编码的蛋白质种类也很少，按照其功能可分为结构蛋白和非结构蛋白。结构蛋白是构成一个完整病毒粒体所需要的蛋白，主要是外壳蛋白（coat protein，CP）和囊膜蛋白，有些病毒还有基因组结合蛋白（VPg），由于大多数植物病毒没有囊膜，其结构蛋白也就只有外壳蛋白。而且绝大多数植物病毒的外壳蛋白仅由一种蛋白多肽构成，个别的有两种以上。

非结构蛋白是指病毒基因编码的非结构必需的蛋白，包括病毒复制需要的复制酶、参与病毒运转的运动蛋白等。 （三）脂类大多数植物病毒不含脂类，只有具囊膜的病毒才有脂类。（四）其他组份糖蛋白、金属离子、多胺、水等。

第三节植物病毒的侵染和传播（182页） 一、植物病毒的侵染和复制病毒进入寄主活体细胞到新的子代病毒粒体合成的过程即为病毒的侵染与增殖。大多数植物病毒是从机械的或传毒介体所造成的微伤（fine wound）侵入寄主，少数经过内吞（endocytosis）作用，包膜病毒通过融合（fusion）方式进入寄主细胞。增殖=基因组复制---遗传信息表达（合成蛋白）--组装新的子代粒体

生物学中心法则 蛋白质 DNA RNA 植物病毒利用寄主细胞核酸复制系统及蛋白质合成系统复制其基因组和合成其专化性蛋白病毒侵染植物后，在活细胞内增殖后代需要两个步骤，一是病毒核酸的复制（replication），即病毒的基因传递；二是病毒基因的表达（gene expression），即病毒蛋白质合成。一般新增殖的病毒会在体内进行胞间运转和长距离运转。

植物病毒核酸的复制 大部分植物病毒的核酸复制是由RNA到RNA。病毒核酸的复制需要寄主提供复制的场所（通常是在细胞质或细胞核内）、复制所需的原料和能量、部分寄主编码的酶及膜系统。病毒自身提供的主要是模板和专化的聚合酶，即复制酶。花椰菜花叶病毒编码一种依赖于RNA的DNA聚合酶，也称反转录酶。

植物病毒基因组复制及mRNA合成途径具有多样性植物病毒基因组复制及mRNA合成途径具有多样性

根据核酸种类和性质不同，植物病毒复制可分为多种类型。根据核酸种类和性质不同，植物病毒复制可分为多种类型。以（+）RNA病毒为例，病毒的复制过程如下：（1）病毒粒体进入寄主细胞，脱壳，释放RNA；（2）RNA与核糖体结合，翻译出病毒复制酶等与复制相关的基因产物；（3）复制酶以（+）RNA为模板合成（-）RNA链，并形成双链复制型；（4）从复制型产生子代（+）RNA链；（5）以病毒RNA为模板合成外壳蛋白；（6）外壳蛋白亚基和RNA组装成新的病毒粒体。

植物病毒的增殖 病毒粒体进入寄主细胞脱壳基因表达复制大量的基因组及合成外壳蛋白病毒粒体装配

植物病毒基因及其表达 植物病毒的基因组较小，许多植物病毒的基因组全序列及基因图谱都已明确。以TMV为例 TMV基因组RNA全长6395nt +ssRNA 5’-未端具有帽子结构和先导序列（非转译序列） 3’-未端有类似tRNA的结构整个基因组含有5个开读框（ORF），翻译产生5种蛋白植物病毒基因表达所面临的问题：真核生物蛋白质合成系统仅识别病毒RNA上的第一个开放阅读框架，同一核酸链上的其它基因的表达则要借助病毒的特殊翻译策略。

在真核生物蛋白合成系统中的翻译策略 1、亚基因组策略由基因组3’-未端转录产生一到多个亚基因组RNA，从各个亚基因组5’-端开读框翻译出蛋白产物。如TMV 2、多聚蛋白策略基因组仅含一个开读框，翻译产生一个前体蛋白（多聚蛋白），再在蛋白酶作用下分解为多个功能蛋白。如马铃薯Y病毒科 3、多分体基因组策略基因组为多条核酸链，每条链翻译产生一个蛋白产物。如CMV 4、通读蛋白策略核糖体读越终止密码。如TMV的复制酶蛋白 5、核糖体移码策略在翻译接近终止密码时，核糖体回读或跳过一个核苷酸，从而使终止密码失效（解体到两个三联体密码中）

病毒在复制表达过程中会产生一定形状的内含体（inclusion body），可在光学显微镜下看到。在细胞核内，称为核内含体；在细胞质内，称为细胞质内含体（主要分为不定形内含体、假晶体、晶体内含体和风轮状内含体）。不定形内含体是由病毒粒体和寄主细胞成份混合组成的；晶体状内含体一般是由病毒粒体整齐排列堆叠而成。

植物病毒的变异 1、突变自然界中，病毒复制一次出现突变株的概率为10-6~10-8 人工诱变（亚硝酸盐、高温处理）——获得弱毒株及其利用有的情况下，仅仅一个碱基的变化就会导致病毒性质的变变异 2、基因重组两个病毒基因组在复制过程中发生核酸序列交换，形成重组基因组。常发生于DNA病毒中（主要是动物病毒和噬菌体，花椰菜花叶病毒也有发生） 3、假重组分段基因组病毒之间核酸链的重新组合。如CMV、TBV

二、病毒在植物体内的运转（移动） 运转（移动），即病毒从植株的某一部位扩散到另一部位的过程（植株内扩散）。在植物叶肉细胞间的移动称为胞间运转（移动）；经维管束输导组织的运转称为长距离运转（移动）。

（一）胞间运转 已知植物病毒的胞间运转有多种途径，而以经胞间连丝的运转最为普遍。该过程需有病毒的运动蛋白参与。首先运动蛋白作用于胞间连丝，使胞间连丝的孔径增大几倍至几十倍；同时运动蛋白与病毒核酸结合，使核酸呈细长的线状；最后病毒是以核酸的形式通过扩展了的胞间连丝进入相邻的细胞。

一些病毒仅能在某些寄主的接种点附近有限的细胞内扩散，表现为局部侵染。一些病毒仅能在某些寄主的接种点附近有限的细胞内扩散，表现为局部侵染。 • 一些病毒为韧皮部限制病毒（phloem-limited virus），即病毒经介体传入寄主韧皮部后，仅能在韧皮部增殖和运转。 • 病毒在细胞间移动的速度是缓慢的，平均每天不过1mm左右。

第四章 植物病毒