番茄褪绿病毒及植株对其侵染响应性研究进展
2021-07-14陈珂苏洋杨蔡晓锋王全华许萍
陈珂 苏洋杨 蔡晓锋 王全华 许萍
摘 要： 目前全球已知的番茄褪绿病毒（Tomato chlorosis virus，ToCV）分离株系可分成3组，它们在中国境内都有被发现，但仍呈区域性分布.ToCV病害主要通过阻断粉虱传播来防治，更长期有效的防控则基于对植株对ToCV侵染的敏感性和抗性的分子遗传基础的了解，和对病毒具有耐受或者抗性的作物品种的培育.为此，综述了近年来在ToCV基因组方面的研究进展以及不同地区病毒分离株的序列特征，并分析了导致番茄耐病、抗病机理研究滞后的原因.
关键词： 番茄褪绿病毒（ToCV）; 流行病学; 植物的病毒抗性
中图分类号： Q 945.8 文献标志码： A 文章编号： 1000-5137（2021）02-0253-06
Research advance onTomato chlorosis virus and plant responses to its infection
CHEN Ke1，2， SU Yangyang1，2， CAI Xiaofeng1，2， WANG Quanhua1，2*， XU Ping1，2*
（1.College of Life Sciences， Shanghai Normal University， Shanghai 200234， China; 2.Development Center ofPlant Germplasm Resources， Shanghai Normal University， Shanghai 200234， China）
Abstract： The worldwide distributedtomato chlorosis virus （ToCV） has spread to several provinces in China，posing a serious threat to tomato （Solanum lycopersicum L.） production.Phylogeny analysis of the sequences of all isolates in NCBI database indicates 3 groups of ToCV，which were all found in China at different times and different areas.At present，the main disease prevention and control relies on the physical and chemical measures to limit whiteflies.In the long run，the most efficient control based on the understanding about the tomato plants molecular genetic mechanism of their disease resistance and tolerance on ToCV.Here we review the research progress on ToCV genome and the sequence features of known isolates from different areas，and analyze the challenge in elucidating the molecular mechanisms and developing disease resistant varieties in tomato.
Key words：Tomato chlorosis virus（ToCV）; epidemiology; genetic resistance
0引言
番茄褪綠病毒（Tomato chlorosis virus，ToCV）属长线形病毒科的毛形病毒属.毛形病毒属包含多种对农业生产危害较大的病毒，它们可以感染葫芦科、茄科和芸香科等重要经济作物，并引起严重病害.世界各国都展开了对相关病毒及其流行病学的研究，并探讨和尝试控制病害的不同方法[1].中国是世界上最大的番茄（Solanum lycopersicum L.）生产国（http：//www.fao.org/faostat/），由ToCV引起的番茄病害在中国频繁发生，对中国番茄种植业造成了严重威胁[2].为此，本文作者在前期综述的基础上，进一步梳理更新近年来世界各国对该病毒及其感病机理的研究进展，以期为包括番茄在内作物的抗病育种工作等提供参考.
1 病毒基因组
ToCV是毛形病毒属14个成员之一，最早发现于1998年对美国佛罗里达州番茄植株黄叶病症的分析[3].ToCV的病毒粒子在电子扫描显微镜下呈现出弯曲棒状结构，长度约800～850 nm[4].在被感染的植物中，病毒粒子只侵染输送营养的韧皮部细胞，病毒包涵体呈栓状.
ToCV基因组序列与甘薯褪绿矮化病毒（Sweet potato chlorotic stunt virus，SPCSV）有很大的相似性，其基因组包含两条正义RNA单链：RNA1和RNA2[5]，两条链的5'和3'末端均具有高度相似的序列.RNA1含8 593～8 596个核苷酸（nt），编码4个开放阅读框（ORFs）;RNA2含8 242～8 247个nt，编码9个ORFs.RNA1上的ORFs编码病毒的复制酶和基因沉默的抑制因子，RNA2上的ORFs编码其他功能的蛋白质，例如与病毒粒子的包被、运动、传递，以及和膜相结合等相关的蛋白质.其中，ORF1a编码一个具有多种功能的、分子质量为221 ku的蛋白，该蛋白分子含有蛋白酶、甲基转氨酶和解旋酶结构域;而ORF1b編码一个分子质量为59 ku的、具有RNA依赖性的RNA聚合酶（RdRp）.ORF2和ORF3各编码一个分子质量分别为22 ku和5 ku的蛋白（p22和p5）.p5的功能尚不清楚，而p22在体外可以与单链（ss）和双链（ds）RNA结合，因此推测它可保护dsRNA免受Dicer介导的切割作用.p22可抑制dsRNA引起的转录后基因沉默（PTGS），这或许是通过与dsRNA的结合来实现的[6-8].当利用烟草脆裂病毒（Tobacco rattle virus，TRV）或马铃薯X病毒（Potato virus X，PVX）载体表达p22时，受感染的本氏烟草短时间内会发生系统性死亡，这和其他已知病毒的基因沉默抑制子有着相似的作用[9].但是，p22在ToCV生命周期中是否还有其他功能，仍不清楚.ToCV的RNA2含有9个ORFs，编码具有疏水结构域的p4，热激蛋白70的同源物（HSP70h），p8，p59，p9，外壳蛋白（CP），次要外壳蛋白（CPm），p27和p7[1].在这些预测的蛋白质中，除了p7之外，其他基因也在其他毛形病毒中被发现.p4与其他毛形病毒没有明显的序列相似性，但在它们基因组的相似位置上都编码包含疏水结构域的蛋白.HSP70h在毛形病毒属病毒中是较保守的，可能参与了病毒粒子的组装和病毒在细胞间的移动[10].CP是主要的外壳蛋白，而CPm与病毒粒子尾辫组装相关.CP和CPm在抑制基因沉默中也起到一定的作用[6].另有报告表明：CPm可能还参与了病毒的传播.p4，p7，p8，p9和p27的功能仍有待研究.
2 已有ToCV分离株的序列特征
自1998年以来，ToCV已经在全世界30个国家和地区被发现.近年来，ToCV病害的蔓延加速，使其危害加重.迄今为止，NCBI基因库中已有来自9个不同国家20多个完整的ToCV的cDNA序列，这些田间感染番茄植株中的病毒序列呈现出一定的复杂性和多样性，其中不同基因的保守性也有所不同，比如ToCV的CP显示出比HSP70和RdRp更多的序列多样性[11]，这可能是由不同分离株之间的重组和交换造成的[12].然而，在对某些国家不同的分离株的序列和起源分析中发现，同一国家的大多数分离株的多样性较低.
通过序列比对和系统树分析，已有的ToCV的序列可分为3个大组，各国分离株序列的不同与其地理位置及其分布地域之间的地理障碍相关[11，13].比如，韩国的两个不同地方的ToCV分离株，其中一个的起源与美国和中国分离株有关，另一个与希腊和巴西的分离株有关[14].对南非ToCV分离株的最新研究表明：其起源与西班牙分离株密切相关[15].此外，这两个国家的研究均表明：在自然分离株中可能会发生区段重组[16-17].总之，这些研究说明ToCV的侵染已经从早期的孤立感染进入全球加速蔓延阶段.
在中国，ToCV引起的番茄病害最早见于2004年在台湾的报道[18].2013年，在北京多个番茄种植设施中发现被ToCV感染的带病植株[19].2014年，山东省也有ToCV侵染报道，其作者还对病毒分离株进行了分子表征分析[20].近年来，中国多地都有ToCV造成番茄病毒病害的报道，但是对病毒序列的分析尚不多见.已知序列分析表明：台湾分离株和山东分离株序列相差很大，台湾分离株与世界其他地区的分离株相比也显示出较大的不同，序列较为独特.相比之下，山东ToCV分离株的RNA1与佛罗里达分离株最为相似，其RNA2与其他已报道的分离株的RNA2高度同源，序列一致性超过97%.最近，本文作者通过分析上海温室的ToCV分离株全长序列发现：本地区流行的分离株更接近韩国的分离株（待发表的数据）.一个国家在不同省区出现序列差异较大的ToCV的原因需要进一步研究.
3 ToCV病害的发展及其对农业生产的严重威胁
20多年前，ToCV引起的病害偶尔见于美国和西班牙的番茄种植温室，现在，其在其他许多国家和地区都有发生[21].进一步的研究发现：来自25个科的85种植物都是ToCV的天然宿主;此外，烟粉虱属（Bemisia）和温室粉虱属（Trialeurodes）中的5种粉虱都可通过半永久性的方式在植物间传播病毒.ToCV相对较大的宿主范围和可借助多种粉虱传播的特性，可能使其在经济全球化的今天更快地传播[13，15，21-22].
感染ToCV的番茄植株最初在下部叶片出现黄化，而后缓慢发展到上部叶片.黄化的叶片区域会进一步发展为红棕色坏死斑块，其光合作用受到严重影响，导致其果实产量降低.ToCV除了单独感染会引起作物减产外，与其他病毒的共同侵染还会导致更严重的产量损失.包括RNA和DNA病毒在内的几种病毒都可以与ToCV建立共感染，并增强各自的致病性.在实验室条件下，ToCV和番茄环斑病毒（Tomato spotted wilt virus，TSWV）的共同感染会导致植物快速坏死[23].来自巴西的一项调研表明：在出现病害症状的田间番茄中，有近一半的番茄植株同时被ToCV和番茄重度皱纹病毒（Tomato severe rugose virus，ToSRV）感染[24].此类现象在土耳其也有发现[25].ToCV和ToSRV的共同感染会使植物发病的症状更为严重，但是其协同致病机制仍不清楚.国内的一项田间调研发现：一半以上出现病害症状的番茄植株都被至少2～3种不同的病毒感染[26]，ToCV在田间番茄的随机检出率已达4%[27].考虑到ToCV本身，以及与其他病毒混合感染带来的严重危害[23]，如何对其有效防治成为目前农业科学研究的一个重点任务.
近年来，ToCV的危害导致中国番茄产量损失巨大[28].2013年的一项针对山东省病毒感染的调研表明：该地区被调查的温室中有40%～100%的植物感染了ToCV，给当地温室番茄产量造成10%～40%的损失[29].同时，2013—2014年，中国多个省份田间携带ToCV的粉虱比例显著增加[30]，这表明病毒可能将进一步传播.近20年来，ToCV已经在中国的10多个省份中被检测到[31]，特别是河北省和辽宁省，有19.5%的田间番茄出现番茄黄化卷叶病毒（Tomato yellow leaf curl virus，TYLCV）与ToCV的共侵染[30-31].ToCV和TYLCV的共侵染明显加重了病害症状.而且，TYLCV的寄主范围十分广泛，给我国蔬菜尤其是番茄生产带来了直接的危害.
4 获得抵抗ToCV感染的种质资源的挑战
到目前为止，关于防治ToCV感染的手段主要聚焦于阻断或者降低粉虱传播.一些以限制或者隔离粉虱的方法得到全面的测试和应用，比如增设防虫网，加强高质量的温室建设和增设良好的通风设施[32-33].随着农业生产的不断推进和科学技术在生产中的应用，例如采用寄生蜂进行生物防治，以及开发多种抗ToCV新型药物的尝试，ToCV病害在一定程度上得到了有效缓解.当前，世界上许多地方仍然以室外大田种植番茄为主，这种情况下，无法采用有效的物理手段来防治病毒病害，仅能通过喷施农药防治烟粉虱.众所周知，在病毒感染植物的早期，对病害的及时处理有助于病害控制，但是番茄经ToCV感染后并不迅速显示病症，却仍然可以通过粉虱传播，并且进行病毒分子鉴定的成本较高.因此，发现和研究ToCV感染番茄的分子基礎及其致病机理，培育番茄对ToCV的耐受性和抗性是防治相关病害的根本方法.
到目前为止，仅有3项关于番茄和野生番茄种质对ToCV敏感性和抗性的调查[34-35].据报道：在56个被测试的番茄品种中，根据其在特定温室中的感染率，发现了7种番茄品种是高度抗ToCV病的[35].一些野生番茄因被粉虱传播感染的效率低也被认为是抗性品种;不过，在通过嫁接进行接种验证时，只有几个品系表现出了一定的抗性.另外，关于以番茄产量损失作为病毒感染耐受性评价指标的研究发现：有6种基因型的番茄减产幅度小于12%.然而，这些调查都是将病毒感染和致病的多方面特征组合为综合抗性或耐受性的表型，其评估不能区分感染过程中载体传播和植物发育本身所造成的表型差异.当表型是由多个遗传基因座决定的复杂性状时，遗传育种就变得相当困难.为了进一步降低其复杂性，人们还尝试使用了具有高效传播能力的粉虱，以减少不同粉虱传播能力的差异，已在茄属中鉴定出最耐受的株系[36].
顯然，这些早期研究表明：野生番茄种质中存在病毒抗性或耐受性株系.但是，目前尚无方法通过简单的机械摩擦来接种病毒，还缺少有效的侵染性克隆，研究人员很难减少实验条件的复杂性并发现ToCV感染番茄的遗传基础，和控制ToCV病害.已有报道表明：有的研究人员可通过具有感染性的克隆来接种本氏烟草，再通过嫁接感染番茄幼苗[37].嫁接费时费力、效率低下，因此对接种过程的改善和简化是番茄褪绿病毒致病机理研究上有待突破的瓶颈.
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（責任编辑：顾浩然，包震宇）
