植物病毒可能正在重塑我們的世界
病毒群體非常龐大,它們占據(jù)每一個(gè)可以想象的生物生態(tài)位，從灼熱的海底地?zé)嵊鹆魍ǖ揽诘胶涞奶υ@些神秘的入侵者，在惰性物質(zhì)和生命之間徘徊，它們是地球上最豐富的生命形式。
病毒被公認(rèn)為是巧妙的病原體，包括幾乎所有的細(xì)菌，真菌，植物和動(dòng)物，它們侵入的一切都會(huì)導(dǎo)致疾病。然而，病毒學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展表明，病毒比先前所認(rèn)識(shí)的更為重要和復(fù)雜，并且可能對(duì)多種生態(tài)系統(tǒng)的運(yùn)行至關(guān)重要。
我們現(xiàn)在知道人類含有大約100000個(gè)病毒DNA元素，占我們基因組的8％左右。關(guān)于這些古老病毒片段的作用的猜測從防止疾病到增加患癌癥或其他嚴(yán)重疾病的風(fēng)險(xiǎn)不等，科學(xué)家們承認(rèn)，他們幾乎沒有觸及這個(gè)謎團(tuán)的實(shí)質(zhì)。
美國亞利桑那州立大學(xué)生物設(shè)計(jì)研究所的研究員阿爾文·瓦爾薩尼帶領(lǐng)的一個(gè)國際團(tuán)隊(duì)探索了病毒的許多細(xì)節(jié)。
他們發(fā)現(xiàn)，病毒感染過程由三個(gè)部分組成：病毒本身，被病毒感染的植物細(xì)胞宿主以及和中間載體之間的微妙相互作用，這一復(fù)雜的系統(tǒng)演變了大約4.5億年。這三個(gè)要素都嵌入在周圍生態(tài)系統(tǒng)更廣泛的關(guān)系當(dāng)中。
病毒學(xué)領(lǐng)域的最新研究表明，病毒有時(shí)對(duì)它們所感染的生物有益。瓦爾薩尼說：“在此之前，人們一直將病毒視為造成疾病的元兇。這打破了我們?nèi)绾窝芯坎《镜乃薪虠l?！?/p>
難以捉摸的病毒
1892年，俄羅斯植物學(xué)家德米特里·伊萬諾夫斯基進(jìn)行了一項(xiàng)簡單的實(shí)驗(yàn)，對(duì)科學(xué)和醫(yī)學(xué)產(chǎn)生了重大影響。他從患病的煙草植物中采集樹液，通過非常細(xì)小的毛孔喂養(yǎng)該物質(zhì)，并證明這種過濾后的液體可以感染健康的煙草植物。過濾證明，無論致病實(shí)體是什么，它都比細(xì)菌更小。
荷蘭植物學(xué)家和微生物學(xué)家貝耶·林克將這種神秘的致病物質(zhì)稱為病毒，在1931年電子顯微鏡沒發(fā)明之前，病毒的真實(shí)形態(tài)在光學(xué)顯微鏡下不可見。這是一種桿狀植物入侵者，被稱為煙草花葉病毒，它是人類有記錄以來發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)病毒。
絕大多數(shù)病毒尚未被發(fā)現(xiàn)
從那時(shí)起，人類已經(jīng)確定了數(shù)以千計(jì)的不同的病毒，但它們只代表病毒世界的一小部分，其中絕大部分尚未被發(fā)現(xiàn)。
實(shí)際上，病毒由什么構(gòu)成也沒有單一的答案。它們的大小差異很大，從攜帶少量基因的埃博拉病毒到最近發(fā)現(xiàn)的巨型病毒。
瓦爾薩尼說：“我現(xiàn)在看待病毒的方式來自哲學(xué)角度。它們是一個(gè)動(dòng)態(tài)的實(shí)體，它們有多種生活方式，從基本的，完全依賴宿主，到某些只能部分依賴宿主的情況?！?一些病毒可以如此迅速地進(jìn)化，交換和獲取新的遺傳元件，它們的基因組可以變成嵌合體，甚至是片段化的，使得對(duì)它們進(jìn)行適當(dāng)分類成為了病毒學(xué)領(lǐng)域的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。
從生態(tài)學(xué)的角度來看，植物病毒由于多種原因而特別重要。植物占地球生物量的80％以上，對(duì)地球多樣化的生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響大于感染其它生命王國的病毒。植物病毒對(duì)糧食作物和觀賞植物具有明顯的重要性，一系列植物病毒每年造成全球約600億美元的作物損失。
為了捕捉地球病毒世界的驚人豐富性，研究人員已經(jīng)超越了早期確定單個(gè)病毒顆粒并對(duì)其進(jìn)行分析的方法。稱為“病毒進(jìn)化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變探測”（metaviromics）的技術(shù)用于探測全部病毒存在的環(huán)境。該方法依賴于將來自環(huán)境樣品的多個(gè)DNA或RNA基因組拼接在一起，這種技術(shù)近來已被用于鑒定大量先前未記錄的病毒。對(duì)于植物病毒而言，這些病毒片段通常從昆蟲載體中提取，所述昆蟲載體將病毒從植物運(yùn)送到植物。
新方法揭示了一堆新病毒
“病毒進(jìn)化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變探測”技術(shù)測序是一種用于研究病毒群落的特別有效的技術(shù)。與細(xì)胞生命具有單一的共同起源不同，病毒是多系的，這意味著它們是多種起源的結(jié)果。尚未鑒定出所有病毒具有共有的單一基因。雖然已經(jīng)在病毒衣殼中觀察到常見的蛋白質(zhì)基序，但這些可能是趨同進(jìn)化或水平基因轉(zhuǎn)移的結(jié)果，而不是遺傳元件。
“病毒進(jìn)化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變探測”技術(shù)對(duì)于梳理植物，載體和病毒之間的共生關(guān)系及其隨時(shí)間變化的關(guān)系特別有用。由于病毒學(xué)發(fā)端以來的大量研究一直側(cè)重于病毒作為人類和植物中的致病因子，病毒，載體和宿主之間的共生相互作用的性質(zhì)和程度很可能研究不足。
現(xiàn)在科學(xué)家們認(rèn)為，病毒可能通過限制包括作物在內(nèi)的遺傳同質(zhì)植物的生長，在維持生物多樣性和幫助植物適應(yīng)環(huán)境方面發(fā)揮重要作用。病毒生態(tài)學(xué)的新研究試圖了解病原體和共生相互作用的程度和重要性。感染鏈中一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)是特定昆蟲載體的行為及其病毒傳播方式，盡管還有許多其他因素發(fā)揮作用，包括營養(yǎng)物質(zhì)，水資源，熱和冷脅迫以及不利的土壤條件。
病毒中介
載體在植物病毒世界中發(fā)揮著巨大的作用。與動(dòng)物病毒不同，植物病毒通常不通過感染和未感染個(gè)體之間的直接接觸傳播。相反，植物病毒通過載體（特別是昆蟲）以及通過花粉和種子傳播。
據(jù)信植物病毒傳播模式在病毒對(duì)其宿主的作用中起作用。如果病毒通過種子或花粉傳播，病毒應(yīng)該限制其對(duì)宿主植物繁殖成功的有害影響，甚至可能比未感染的植物具有適應(yīng)性優(yōu)勢。
從父母到子代植物的病毒傳代被稱為垂直傳播。相反，當(dāng)昆蟲載體將病毒從植物轉(zhuǎn)移到植物時(shí)，發(fā)生水平病毒傳播。這種媒介傳播的攻擊對(duì)受感染的植物來說可能更加無情，只需要確保它們繼續(xù)傳播到適當(dāng)數(shù)量的健康植物，植物病毒就獲得成功。
多種載體可傳播植物病毒，包括蛛形綱動(dòng)物，真菌，線蟲和一些原生生物，但超過70％的已知植物病毒是由昆蟲傳播的，大多數(shù)來自半翅目，包括蟬，蚜蟲，稻飛虱，葉蟬和盾蟲。
這些昆蟲可以利用身體構(gòu)造，比如口器用來刺穿和提取樹液或植物細(xì)胞材料。植物病毒的昆蟲傳播可以通過在感染植物上攝食后，在唾液中排泄病毒顆粒而發(fā)生?；蛘?，植物病毒可以永久地結(jié)合到昆蟲的唾液腺中，允許載體在整個(gè)昆蟲的一生中將病毒傳播到新的植物。
有趣的是，許多昆蟲傳播的植物病毒可能已經(jīng)進(jìn)化出影響載體行為的機(jī)制，使受感染的植物對(duì)吸食昆蟲更具吸引力，或確保受感染的植物產(chǎn)生促進(jìn)昆蟲行為的化學(xué)物質(zhì)，這有助于促進(jìn)傳播。
除了復(fù)雜多變的感染鏈外，一些植物病毒還具有另一種獨(dú)特的特性。這些病毒以多個(gè)數(shù)據(jù)包傳輸其基因組，每個(gè)數(shù)據(jù)包僅包含部分病毒的完整遺傳密碼，封裝在單獨(dú)的病毒顆粒中。這種特殊的策略需要將幾種病毒顆粒共同傳播給新宿主以確保病毒基因組的完整性，這是一種被認(rèn)為是植物病毒獨(dú)有的特征。這些所謂的多方病毒的性質(zhì)和進(jìn)化仍然是一個(gè)生物學(xué)難題。
植物病毒在其策略中顯示出相當(dāng)大的獨(dú)創(chuàng)性，這些策略高度依賴于其給定的環(huán)境。有些植物病毒是通才，可入侵多個(gè)物種，而別的植物病毒則是偏向于狹窄范圍植物宿主的專家。這種選擇性可能通過稱為“自適應(yīng)輻射”的過程隨時(shí)間而發(fā)展。這通常發(fā)生在病毒面臨異質(zhì)棲息地，并變得專門的適應(yīng)性以利用特定生態(tài)資源，同時(shí)變得不適合利用其它生態(tài)資源時(shí)。這種專業(yè)化適應(yīng)過程的主要作用是限制不同病毒譜系或物種之間的競爭。或者，通才病毒感染多個(gè)植物宿主，但必須與其它病毒競爭這些資源。這種情況往往導(dǎo)致病毒群體的多樣性降低，由最急劇適應(yīng)的病毒基因型占主導(dǎo)地位。
病毒的起源
雖然研究人員認(rèn)為病毒缺乏一個(gè)共同的祖先，但是它們?nèi)绾我约昂螘r(shí)出現(xiàn)在生命網(wǎng)絡(luò)中的詳細(xì)過程仍然存在爭議。
目前有三種常見的假設(shè)，盡管它們并不相互排斥。也許病毒是從自由活細(xì)胞進(jìn)化而來的，這是權(quán)力下放學(xué)說或稱為回歸假設(shè)。它們也可能起源于以某種方式逃離活細(xì)胞的RNA和DNA分子。第三種學(xué)說認(rèn)為，病毒可能曾經(jīng)作為與細(xì)胞一起進(jìn)化的自我復(fù)制實(shí)體存在，最終失去其獨(dú)立狀態(tài)。
“病毒進(jìn)化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變探測”研究正在幫助揭示病毒之間的基礎(chǔ)關(guān)系，并確定許多植物，真菌和節(jié)肢動(dòng)物病毒的共同起源。
生態(tài)系統(tǒng)中人類造成的破壞正在以地球歷史上前所未有的速度發(fā)生，這一過程正在改變病毒，媒介和宿主關(guān)系。
這些破壞的影響可能是培養(yǎng)出具有在宿主中引起疾病??的能力提高的突發(fā)病毒。隨著生態(tài)社區(qū)，通過人類土地利用的變化而變得更緊密，現(xiàn)有的互動(dòng)網(wǎng)絡(luò)突然轉(zhuǎn)變，這些互動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)化時(shí)間上用以穩(wěn)定宿主與本地載體和病毒的關(guān)系。
進(jìn)入這種被破壞的生態(tài)系統(tǒng)的任何致命實(shí)體更有可能迅??速在人群中傳播，并積極地傳染不同的生物。
對(duì)植物病毒的研究和理解將有助于人類和植物種群未來的健康和可持續(xù)性。
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