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植物病毒可能正在改变我们的世界

病毒社区非常庞大。这些令人难以置信的入侵者占据了从灼热的海底通风口到寒冷的苔原的每一个可能的生物生态位,它们在惰性物质和生命之间徘徊,在全球范围内成百上千亿。它们是地球上最丰富的生命形式。

人们普遍认为,病毒是一种巧妙的病原体,会在其入侵的所有疾病中引起疾病​​,包括几乎所有细菌,真菌,动植物。但是,病毒学领域的最新进展表明,病毒起着比以前认识到的更为重要和复杂的作用,并且可能对多样化生态系统的功能至关重要。

现在我们知道,人类包含大约100,000个病毒DNA元件,约占我们基因组的8%。人们对这些古老病毒片段的作用进行了猜测,从预防疾病到增加患癌症或其他严重疾病的风险,尽管研究人员承认它们几乎没有触及到这一谜团的表面。

《自然评论微生物学》杂志上刊登了一篇新的评论文章,重点介绍了植物病毒的进化和生态学。亚利桑那州立大学生物设计研究所的研究员Arvind Varsani加入了一个国际团队,探索病毒动力学的许多细节。他们描述了病毒感染过程的三个组成部分,病毒本身,被病毒感染的植物细胞宿主以及充当媒介的载体之间的微妙相互作用,这种复杂系统演化了约4.5亿年。所有这三个要素都嵌入了周围生态系统的更广泛关系中。

病毒学领域的最新研究表明,病毒有时对其感染的生物有益。Varsani说:“在此之前,人们一直将病毒视为引起疾病的实体。” “这打破了我们研究病毒的所有教条。我们在一节中回顾了共生和共生关系,以及一些共生关系如何解耦。”

难以捉摸的流浪者

1892年,俄罗斯植物学家德米特里·伊万诺夫斯基(Dmitry Ivanovsky)进行了一项简单的实验,该实验对科学和医学具有重大意义。他从患病的烟草植物中收集了汁液,通过非常细的毛孔喂食了这种物质,并证明了这种过滤后的液体可以感染健康的烟草植物。过滤可以确保不管是什么致病实体,它都比细菌小。荷兰植物专家和微生物学家马丁努斯·贝耶林克(Martinus Beijerinck)将这种神秘的致病物质称为病毒,尽管其真正的形式-在光学显微镜下是看不见的-直到1931年才随着电子显微镜的发明出现。一种被称为烟草花叶病毒的杆状植物入侵者已经自我发现,这是有史以来的第一种病毒。从那时起,已经发现了数千种不同的物种,

确实,即使是什么构成病毒的问题也没有单一的答案。它们的大小千差万别,从带有少量基因的埃博拉病毒到最近发现的巨型病毒。巨大的病毒在大小上与某些细菌竞争,可以携带翻译所需的机械元件,这使它们作为非生物实体的地位受到质疑。

Varsani说:“我现在从哲学的角度看待病毒。” “它们是一个动态的实体,并且具有多种生活方式,从基本的病毒完全依赖宿主进行复制到基本仅部分依赖宿主的某些情况就可以了。” 由于某些病毒可以如此迅速地进化,交易和获取新的遗传元件,因此它们的基因组可能会嵌合或什至碎片化,从而使其正确分类成为病毒学领域的严峻挑战。

从生态学的角度来看,由于多种原因,植物病毒尤其重要。植物构成地球上生物量的80%以上,对病毒的多样性影响比对其他生物界的病毒影响更大。植物病毒对粮食作物和观赏植物具有明显的重要性,估计全世界范围内每年造成600亿美元的农作物损失。

为了捕获地球病毒宇宙的惊人丰富性,研究人员已经超越了查明单个病毒颗粒并对其进行分析的早期方法。元病毒学技术被用来探测环境中的病毒。该方法依赖于将环境样品中的多个DNA或RNA基因组拼接在一起,最近已用于识别大量以前未记录的病毒。就植物病毒而言,这些病毒片段通常是从昆虫载体中提取的,这些昆虫载体将病毒从植物运送到植物。

新方法发现了新病毒

元病毒学测序是研究病毒群落的一种特别强大的技术。与具有单一共同起源的细胞生命不同,病毒具有多重生命力,这意味着它们是多种起源的结果。尚未发现所有病毒共享的单个基因。尽管已经在病毒衣壳中观察到了常见的蛋白质基序,但这些可能是趋同进化或水平基因转移而不是遗传元件的结果。

变态病毒学的策略对于解决植物,载体和病毒之间的相互关系及其随时间变化的关系特别有用。自从病毒学诞生以来,许多研究都集中在作为人类和植物中致病因子的病毒上,因此很可能未能充分理解病毒,载体和宿主之间相互作用的性质和程度。

作者推测,病毒可能通过限制遗传上均质的植物(包括农作物)的生长,在维持生物多样性和帮助植物适应环境方面发挥重要作用。病毒生态学的新研究试图了解致病性和相互影响的相互作用的程度和重要性。感染链中最重要的一个环节是特定昆虫媒介的行为及其病毒传播方式,尽管许多其他因素也发挥了作用,包括营养,水资源,热和冷胁迫以及不利的土壤条件。

病毒中介

载体在植物病毒世界中起着举足轻重的作用。与动物病毒不同,植物病毒通常不会通过感染者和未感染者之间的直接接触传播。相反,植物病毒通过媒介(尤其是昆虫)以及花粉和种子传播。

据信,病毒传播的方式在病毒对其宿主的影响中起作用。如果病毒是通过种子或花粉传播的,则该病毒应限制其对宿主植物繁殖成功的有害影响,甚至可能传达出相对于未感染植物的适应性优势。

从亲本到子代植物的病毒传播被称为垂直传播。相反,当昆虫载体将病毒从一种植物转移到另一种植物时,发生水平病毒传播。这种媒介传播的攻击对受感染的植物可能更无情,而只需确保将其继续传播到适当数量的健康植物上,病毒就可以成功。

许多种类的载体都可以传播植物病毒,包括蜘蛛,真菌,线虫和某些原生生物,尽管已知植物病毒中有70%以上是由昆虫传播的,其中大多数来自半翅目生物学,其中包括蝉,蚜虫,飞虱,叶蝉和屏蔽错误。

这种昆虫可以利用为穿透和提取汁液或植物细胞材料而制成的口器。以被感染植物为食后,唾液中病毒颗粒的排泄可导致植物病毒的昆虫传播。或者,植物病毒可以永久掺入昆虫的唾液腺中,从而使载体在昆虫的整个生命周期中将病毒传播给新的植物。

有趣的是,许多昆虫传播的植物病毒可能已经进化出影响媒介行为的机制,使受感染的植物对以树液为食的昆虫更具吸引力,或者确保受感染的植物产生促进昆虫行为的化学物质,从而有助于传播。

除了复杂而多样的感染链,某些植物病毒还具有另一个独特的特性。这类病毒通过多个数据包传输其基因组,每个数据包仅包含一部分病毒完整的遗传密码,并封装在单独的病毒颗粒中。这种特殊的策略需要将几个病毒颗粒共同传输到新的宿主上,以确保病毒基因组的完整性,这是植物病毒特有的功能。这些所谓的多部分病毒的性质和进化仍然是一个生物学难题。

植物病毒在其策略上显示出相当大的独创性,这在很大程度上取决于其给定的环境。有些是通才,入侵多种物种,而其他病毒则是支持范围狭窄的植物宿主的专家。通过称为适应性辐射的过程,该选择性可能随时间发展。当病毒面对异质生境并适应性地专门开发特定的生态资源,同时又变得不适应开发其他资源时,通常会发生这种情况。这种专门化的作用是限制不同病毒谱系或物种之间的竞争。另外,通才病毒可感染多个植物宿主,但必须与其他病毒竞争这些资源。这种情况倾向于导致以最急性适应的病毒基因型为主的低多样性病毒种群。

病毒的到来

尽管研究人员一致认为病毒缺乏一个共同的祖先,但有​​关病毒如何(以及何时)出现在生命网中的详细描述仍在激烈争论。三种常见的假设虽然不是相互排斥的,但它们争夺主导地位是一个解释性的框架。就像病毒的转移或回归假设所言,病毒可能是从自由生存的细胞进化而来的。它们也可能起源于以某种方式从活细胞中逸出的RNA和DNA分子。或者,病毒可能曾经作为自我复制实体存在,并与细胞一起进化,最终失去了独立地位。

正在进行的病毒多样性元病毒学研究有助于发现病毒之间的基本关系,并查明许多植物,真菌和节肢动物病毒之间的共同起源。未来尤其值得关注的是,人为破坏地球上生态系统的方式正在改变病毒,媒介和宿主之间的关系,这种破坏以地球历史上前所未有的速度发生。

这些破坏的影响可能是培育出具有增强的致病能力的新兴病毒。随着生态群落通过人类土地用途的变化而变得更加紧密地交织在一起,在过去的一段时间内发挥作用以稳定与原生媒介和病毒的宿主关系的现有相互作用网络可能会突然发生变化。进入这种被破坏的生态系统的任何致命实体都更有可能迅​​速在整个种群中传播,并迅速席卷不同生物。人类和植物种群的未来健康和可持续性将受益于对管理最普遍存在的病毒-那些定植植物的许多微妙相互关系的了解。

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