转基因生物中的抗病毒作用如何

由Alma Laney撰写

I’m 阿尔玛·兰尼 from 疯狂的病毒学家,我研究植物病毒和昆虫来帮助它们传播。一世’我很高兴地宣布,Biological Fortified刚刚发布了一个新的信息图,我与Layla Katiraee和Biology Fortified的其他团队一起开发了该信息图,以帮助解释如何在基因工程作物中产生抗病毒性。这已经进行了几个月了!
转基因生物揭示了抗病毒性信息图 从木瓜和南瓜作为市场上的最新示例,我们汲取了大量有关如何将该特性工程化为植物的信息。除了这两个例子外,这个问题的确还有很多,所以我想详细介绍一下农民面对病毒性植物病,控制方法和工程抗性方法所面临的挑战。转到 简短版的信息图表页面,但如果那样’s not enough to ‘inoculate’你好奇的心,继续读下去!

介绍

植物病毒可能是农作物中的严重病原体,因为它们可能造成从轻微损失到全面损失的任何情况。病毒可以多种方式感染农作物,包括受污染工具传播,种子和花粉感染,块茎或其他无性繁殖材料的感染以及 节肢动物矢量图1 (螨和昆虫统称为)。大多数植物病毒都是通过节肢动物载体传播给农作物的。植物病毒是农民关注的问题,因为一旦进入作物,您所能做的就是尝试防止其传播。因此,控制策略的重点是防止这些病毒的引入和传播。

控制植物病毒

农民可以使用几种策略来预防和控制病毒感染:

  • 使用经过认证的已知病原体的种子或植物。公司拒绝包含病原体的批次。
  • 控制杂草在田间周围,因为杂草可以同时携带病毒及其媒介,从而成为田间接种物的来源。
  • 限制土壤的传播和使用肮脏的工具。受侵染的土壤可能携带某些植物病毒,而受污染的工具会将病毒转移到健康的植物上。可以使用许多消毒剂,包括稀释的漂白剂和牛奶溶液。
  • 番木瓜叶感染PRSV,泰国。信用KJHvM

    在作物上使用种子处理和/或喷洒杀虫剂。由于大多数植物病毒是通过节肢动物媒介传播的,因此这可能是一种有效的策略,但在病毒快速传播(非持久或半持久传播;请参见表1)的情况下不起作用。
  • 并非总是有效的控制策略是使用温和的病毒株,然后将其接种到植物上。轻度毒株可以诱导对更严重毒株的抗药性,但这是有问题的,因为与其他病毒的混合感染会导致严重疾病,轻毒株可能变得更严重,轻毒株仍会造成经济损失,或者轻毒株可能不会工作。此策略称为交叉保护。
  • 一旦病毒进入田间,农民可以采取以下行动 争吵 有症状的植物(去除受感染的植物,然后将其破坏)。这可能是一项昂贵的措施,并且可以在病毒类型可以快速传播的情况下使用。

表格1: 的类型 病毒传播2 详细说明了获取病毒所需的时间,可以传播病毒所需的时间以及每种病毒的示例。

传动方式 病毒获取 病毒传播
非持久 短短几秒钟 几分钟 木瓜环斑杯状病毒
半持久 几分钟 分钟到几小时 花椰菜花椰菜花叶病毒
循环,非传播 分钟到几小时 几小时到几天 大麦黄矮黄萎病毒
循环传播 分钟到几小时 长达数周 番茄斑萎病毒

 
但是,最好的策略之一是设计对植物病毒的抗性。植物病毒抗性基因的几个例子可以在 种质 (反映各种不同情况的种子和/或植物组织的集合 基因型)。但是,对于某些农作物,没有已知的抗性基因,或者如果存在,则可以在野生近缘种中找到它们,并尝试 质朴 (通过常规育种将特性转移到农作物中)这些基因没有成功。这是基因工程可以提供解决方案的地方。基因工程植物病毒抗性诱导两种不同形式的抗性,其中一种方法可以使用两种不同的方法。

转基因方法控制病毒

早期,病毒学家用完整的病毒外壳蛋白基因转化了植物,该基因形成了病毒的外壳,以保护遗传物质。在烟草镶嵌的情况下被发现 烟草花叶病毒 (TMV),外壳蛋白基因的过表达导致病毒抗性,因为 多余的外壳蛋白 干扰了病毒完成其生命周期并在植物中系统移动的能力3。在此基础上,产生了包括木瓜环斑在内的其他病毒的转基因 杯状病毒 (PRSV),黄瓜马赛克 黄瓜花叶病毒 (CMV),西葫芦黄色花叶病毒(ZYMV)和西瓜花叶病毒(WMV)。但是,后来的研究发现转基因可以诱导对植物病毒的抗性的第二种方式:触发植物中发现的RNA沉默(RNAi)途径。
RNAi的发现是革命性的。它导致了其他控制策略,并为基因的功能分析提供了强大的工具。在植物中,RNAi途径充当 一种免疫系统 使植物靶向病原体4,包括病毒。可以通过多种方式触发RNAi途径:

夏威夷番木瓜环斑杯状病毒分离株的外壳蛋白基因的预测折叠结构(GenBank登录号为 S46722.1)由A.G. Laney使用 折叠。注意,这只是该基因的许多预测折叠结构之一,用于说明该基因有双链区可能触发RNAi途径。

  • dsRNA:大多数描述的植物病毒都有RNA基因组,其中一种 病毒复制的副产物双链RNA (dsRNA)5。该dsRNA非常稳定并触发RNAi途径。但是,即使使用DNA病毒,某些基因也会重叠并且可以 触发RNAi途径6。利用利用完整外壳蛋白但触发RNAi途径的转基因,发现在某些情况下,RNA的二级结构会产生带有dsRNA的区域,该区域可以 触发RNA沉默 在植物中(见右图)7.
  • 短发夹:短dsRNA片段可能触发RNAi的发现导致使用可产生RNAi的构建体 发夹盒 形成dsRNA8。早期使用病毒衍生的转基因抗性会使用整个基因。但是,随着我们对RNAi途径的了解的发展,许多研究人员已经采用了 发夹盒法 因为它可以靶向多种病毒和/或病毒基因9。这有几个好处。通过靶向多个基因,研究人员能够最大程度地降低目标病毒对转基因植物产生抗性的机会。发夹盒技术还允许研究人员使用单个构建体靶向多种病毒。

市场上的病毒衍生转​​基因产品

抗病毒木瓜,来源:KJHvM

市场上最广为人知的转基因产品是木瓜 耐PRSV10。该产品实际上拯救了夏威夷的木瓜产业,因为PRSV使水果无法销售,并最终杀死了受感染的树木。使问题复杂化的是,PRSV是由数种蚜虫非持久地传播的(在蚜虫的探针中携带),因此一旦蚜虫探测到植物组织,PRSV就会传播。因此,通过喷雾控制蚜虫载体的尝试不起作用,因为在杀死蚜虫时已经传播了病毒。对病毒的抵抗力是唯一的选择。然而,尽管在野生亲缘种中已鉴定出对PRSV的抗性,但直到最近才成功将所有渗入该性状的尝试从野生亲缘种成功引入栽培木瓜中。11 经过植物育种者50年的尝试。木瓜种植者可以使用的唯一策略是将其业务转移到另一个岛屿。每次他们搬家时,都有短暂的缓期,但病毒最终将其杀入该区域。为了解决这个问题,已经开始研究交叉保护的潜力。但是,它对在夏威夷发现的分离株无效。幸运的是,在那个时候,有一种新技术的新闻被宣布,该技术使用了带有病毒外壳蛋白的转基因蛋白,该蛋白对该病毒具有抗性。因此开始进行转基因研究。到PRSV到达夏威夷Puna的最后一个木瓜种植区时,转基因作物已经准备就绪,产业得到了拯救。
抗病毒南瓜,信誉: 斯蒂芬·内登巴赫

西葫芦有两种不同的转基因抗病毒能力。首先, ZW-2012定位到ZYMV和WMV,而第二个定位 CZW-313,除了ZYMV和WMV之外,还针对CMV。 ZYMV和WMV与PRSV相关(它们都属于同一属,即Potyvirus),并通过引入诱导植物中RNAi途径的完整外壳蛋白基因来靶向。 CMV构造的工作方式很有趣。外壳蛋白基因的引入似乎是通过干扰病毒的生命周期并诱导RNAi途径起作用。

正在开发病毒衍生的转基因产品

目前正在开发许多利用病毒衍生的抗性的转基因作物。这些范围包括专为抵制水稻而设计的水稻 水稻草特技腱病毒14 对耐抗性的棉花植物 棉卷发 Kokhran Begomovirus15  对番茄有抵抗力 番茄黄叶卷曲的begomovirus16 生菜可以抵抗 Mirafiori生菜大静脉滴虫病毒17。 (请参阅此处有关抗病毒黑豆的生物强化文章 这些病毒中的每一种都会在各自的农作物中造成严重损失,并且尚未发现或很难将持久的抗性引入各自的农作物中。这只是世界各地处于不同发展阶段的病毒衍生转​​基因植物的一小部分。但是,有几种导致粮食不安全和/或严重经济损失的病毒性疾病具有转基因解决方案。下面将讨论对粮食安全构成威胁的两种:

  • VIRCA Plus总监Nigel Taylor博士与 木薯。图片提供:Donald Danforth植物科学中心

    木薯花叶病(CMD):该病导致非洲和南亚的粮食不安全18  且是由Begomovirus属中的至少10种相关病毒引起的。 CMD的损失是由于被感染植物上没有块茎。以来 木薯 在贫瘠的土壤中生长良好,雨水少于其他主要农作物,在撒哈拉以南非洲广泛种植。由于损失的严重性,并且由于木薯经常被用来帮助减少饥荒的农作物,因此它是病毒衍生的转基因抗性的理想靶标。通过靶向对begomovirus复制(AC1)至关重要的基因,研究人员能够生成具有抗药性的木薯植物19 非洲木薯花叶病毒和两种相关的木薯病毒。然后,通过靶向另外两个对于基因病毒复制必不可少的基因(AC2和AC3)进一步改善了这种情况20。开发病毒衍生的对CMD的转基因抗性的努力已包括在 VIRCA Plus项目 结合了对木薯的抗CMD,木薯褐斑病和营养改善(锌和铁的转基因强化)的能力。
  • 木薯褐斑病(CBSD):像CMD一样,CBSD对粮食安全构成威胁。尽管CBSD可以减小块茎的大小,但不会像CMD一样导致没有块茎。然而,由于块茎坏死,CBSD症状性块茎的残留难以食用,使受感染的农作物几乎全部丧失21。像CMD一样,CBSD是由粉虱传播的病毒引起的。但是,只有两种已知的物种,木薯棕色条纹伊波病毒和乌干达木薯棕色条纹伊波病毒,并且两者通常都被简称为CBSV。像CMD一样,已经使用病毒衍生的转基因抗性来靶向导致CSBD的病毒22 如上所述,这些病毒的转基因抗性已包含在VIRCA Plus项目中。

使用RNA沉默的其他途径

RNA沉默的有用性不仅限于对植物病毒的抗性。该技术还有其他例子可用于防止因氧化而导致的褐变(北极苹果 和Simplot 先天土豆 –请参阅有关Biofortified的文章 苹果土豆)并减少煮熟的马铃薯(也是先天马铃薯)中丙烯酰胺的形成。与转基因病毒抗性有关的另一个正在探索的领域是为植物病毒的节肢动物载体开发RNA沉默技术。这仍处于发展的早期阶段,但在为农民提供更多选择以进行病虫害综合治理方面显示出巨大的希望。与病毒衍生的抗性一样,用于昆虫控制的RNA沉默专注于关闭昆虫生存所必需的基因,例如粉虱中的v-ATPase亚基A23或昆虫与植物相互作用所必需的基因,例如在蚜虫唾液腺中表达的C00224。在不久的将来,还将有另一篇文章讨论将RNA沉默用于其他用途。

结论

病毒衍生的转基因抗药性在节省种植者和消费者因病毒感染造成的损失成本方面具有广阔的前景。此外,这项技术已经挽救了至少一种在夏威夷种植的木瓜作物,并有潜力通过防止主食作物损失而使发展中国家的粮食安全。这种控制植物病毒的方法的其他一些好处是,它可以减少用于控制节肢动物媒介的喷洒剂,而不会改变农作物的生长方式。主要挑战之一是,对一种病毒株的抗药性可能不会对其他病毒株产生强大的抗药性,因此必须密切监测新病毒株的进化。

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由客座专家撰写

阿尔玛·兰尼(Alma Laney)致力于研究植物病毒和介导它们的节肢动物,并在他的博客《疯狂病毒学家》(Mad Virologist)中介绍了病毒学的各个方面,从人类病原体到古细菌,以及介于两者之间的所有事物。 http://themadvirologist.blogspot.com/

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