看不見的較量

鄒　蒨

水稻矮縮病毒不失為一個“聰明”的侵略者，它感染水稻并使水稻致病的過程復(fù)雜而有趣，引起了不少科學(xué)家的注意。北京大學(xué)生物技術(shù)系的研究人員運用分子生物學(xué)的手段，不僅破譯了水稻矮縮病毒的基因密碼，更幫我們見識了這場——

水稻是目前發(fā)展中國家最重要的糧食作物，全世界幾乎有半數(shù)人口以稻米作為主要食物。在我國，水稻是產(chǎn)量最大的糧食作物，保證水稻品質(zhì)，提高水稻產(chǎn)量一直以來都是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要任務(wù)。

水稻矮縮病是一種在我國南方水稻種植區(qū)非常常見的水稻病害，它的發(fā)病情況會受當(dāng)?shù)貧夂驐l件的影響，同時也與水稻品種有關(guān)，如果種植品種比較單一，而氣候又有利于病毒的傳播，病害往往會嚴(yán)重發(fā)生。

顧名思義，水稻矮縮病毒會引起水稻嚴(yán)重的矮化。如果是在生長初期就受到感染，水稻植株矮化，不能正常地開花結(jié)果，自然也就沒有什么產(chǎn)量可言（圖1）。感染水稻矮縮病毒的水稻葉片會出現(xiàn)花葉癥狀，直接阻礙了光合作用，降低了后期種子的飽滿度。所以，即使是在出穗后感染病毒，水稻的產(chǎn)量和品質(zhì)也會受到毀滅性的打擊。

（1） 患了矮縮病的水稻

引起水稻矮縮病的是一種叫作水稻矮縮病毒的植物病毒，和一般直徑在20納米～30納米之間的其他植物病毒相比，水稻矮縮病毒可以說是一個“大塊頭”，它的直徑在70納米左右，而且病毒的外面包裹有3層外殼蛋白，這在植物病毒中是不多見的。除此之外，水稻矮縮病毒最大的特點在于它的遺傳物質(zhì)是由雙鏈RNA組成，這一點對它的傳播和生存是至關(guān)重要的。

水稻矮縮病毒實際上是由叫作葉蟬的昆蟲傳播的。一般病毒有宿主的特異性，就是說，它要么是植物病毒，要么是動物病毒。但水稻矮縮病毒既可以侵染植物，同時可以在昆蟲細(xì)胞里面復(fù)制。所以這個病毒比較難以控制。

專家猜測，水稻矮縮病毒復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和特殊的遺傳物質(zhì)是使它能跨越昆蟲界和植物界傳播的主要原因，也是揭示它致病機理的重要環(huán)節(jié)。

和侵染水稻的其他病毒一樣，水稻矮縮病毒的傳播有賴于葉蟬這個重要的中間媒介（圖2）。病毒寄生在葉蟬體內(nèi)，并在那里進(jìn)行復(fù)制，卻不會使葉蟬出現(xiàn)病癥。當(dāng)葉蟬咬食水稻葉片的時候，病毒會隨著葉蟬分泌的汁液進(jìn)入水稻植株內(nèi)。有了葉蟬這個“幫兇”，水稻矮縮病毒輕而易舉地完成了進(jìn)攻的第一步。

（2） 水稻矮縮病圖解

我們不妨把病毒和植物體內(nèi)免疫系統(tǒng)的相互作用看作是兩軍的對壘，陣前較量自然是互不相讓。雖然病毒能夠進(jìn)入植物體內(nèi)并開始復(fù)制，但長期的生物進(jìn)化使得植物擁有了抑制病毒在體內(nèi)擴散的能力，比如有的植物在感染了病毒后會在植株的某個部位長出一個瘤，將病毒抑制在這個瘤的范圍內(nèi)自生自滅，不讓它們危害整個植株。而水稻對付矮縮病毒的手段比這個高明得多。

水稻對矮縮病毒的反擊也發(fā)生在分子水平上，上個世紀(jì)末有學(xué)者提出，它動用了一種叫作“基因沉默”的特殊免疫機制進(jìn)行抵抗，使病毒的基因無法表達(dá)，所以即使病毒在植物體內(nèi)大量復(fù)制，最終做的也是“無用功”，根本不能影響植物的生長。按理說水稻應(yīng)該是穩(wěn)操勝券了，可是水稻矮縮病毒不會束手就擒，它會進(jìn)化出“基因沉默”機制抑制因子，使你不能夠?qū)ξ也《井a(chǎn)生作用。我就可以復(fù)制，繁殖，破壞你宿主的細(xì)胞等等。

這場較量到此為止似乎已經(jīng)告一段落，水稻終于不敵矮縮病毒的大肆侵略而敗下陣來，相繼出現(xiàn)病害的癥狀。但這就是最終的結(jié)果嗎？答案當(dāng)然不會這么簡單。就在“戰(zhàn)況吃緊”的時候，這場較量中出現(xiàn)了第三方的力量，讓形勢有了轉(zhuǎn)機。北京大學(xué)生物技術(shù)系的研究人員很有可能成為這場較量最終的主宰者，他們歷經(jīng)幾年的時間，終于在水稻矮縮病毒的分子生物學(xué)研究方面有所建樹。

他們不僅完成了水稻矮縮病毒的全基因組克隆和序列分析，而且還鑒定出了水稻矮縮病毒與抵抗宿主抗性有關(guān)的基因，通過對這些基因的分析，他們發(fā)現(xiàn)，水稻矮縮病毒是通過利用自己的基因進(jìn)行重新編碼，合成一種叫作“基因沉默”抑制因子的新的基因片斷。這種抑制因子不僅能抵抗住植物免疫系統(tǒng)對病毒產(chǎn)生的抗性，更能幫助病毒突破宿主的天然屏障，到達(dá)植株的各個部位并在那里“安營扎寨”，不斷地復(fù)制出新的病毒。

為了能早日找到克制水稻矮縮病毒的“殺手锏”，科研工作者可謂煞費苦心（圖3），所以當(dāng)他們發(fā)現(xiàn)可以通過改善感染植株的癥狀，從而保證水稻產(chǎn)量的時候，興奮的心情可想而知。

（3） 科研工作者辛勞在田間地頭

在研究病毒蛋白功能的過程中，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這個蛋白能與赤霉素合成過程中一個關(guān)鍵酶發(fā)生相互作用，而赤霉素正是影響植物生長的重要激素，如果赤霉素缺乏，植物就會出現(xiàn)矮縮的癥狀，研究人員推測，這種作用可能就是使感染植株激素水平改變，出現(xiàn)矮化現(xiàn)象的“元兇”。

于是研究人員對矮縮病毒感染后的水稻的激素含量水平做測定，發(fā)現(xiàn)它確實比正常水稻的含量低。進(jìn)一步實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)外源施加赤酶素能使受矮縮病毒感染的水稻恢復(fù)到正常水稻的高度。

研究人員還進(jìn)一步設(shè)想可以通過基因工程手段，使病毒的基因在侵染的水稻里面不能表達(dá)，從而活性喪失。這樣水稻赤霉素合成途徑就不受影響，它也就不會發(fā)生矮化。

雖然到目前為止，研究人員所做的還是一些基礎(chǔ)的工作，但這些正是將來有效遏制水稻矮縮病害的關(guān)鍵，相信有了人類科技的支持，水稻會在與矮縮病毒的較量中贏得最后的勝利。