牧草和草坪草中的真菌病毒

王石巖，夏 超

（蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院, 甘肅 蘭州 730020）

真菌病毒是一類以真菌為寄主的病毒類群，在各種真菌中廣泛存在。1962 年，英國生物學(xué)家Hollings 等[1]在進(jìn)行食用真菌法蘭西病的研究過程中首次發(fā)現(xiàn)真菌病毒，他們?cè)陲@微鏡下對(duì)食用真菌的子實(shí)體進(jìn)行觀察，分別觀察到直徑為25 、29 nm及19 nm × 50 nm 的病毒粒子，從而開啟了對(duì)真菌病毒研究的大門[1]。之后，Lampson 等[2]以及Ellis 和Klenschmidt[3]分別在匐枝青霉(Penicillium stoloniferum)和繩狀青霉(P. funiculosum)中觀察到了真菌病毒的存在。截至目前，已在100 余種真菌和卵菌中發(fā)現(xiàn)真菌病毒100 余種[4]。多數(shù)病毒對(duì)真菌的侵染具有?；?，但也有少數(shù)病毒可同時(shí)侵染多種真菌或卵菌[4]。

1 真菌病毒的分類、傳播和作用

截至目前已在包括動(dòng)物、植物及土壤等環(huán)境的真菌中發(fā)現(xiàn)100 余種真菌病毒，被分為14 個(gè)科20個(gè)屬，其中7 個(gè)科10 個(gè)屬為dsRNA 病毒，5 個(gè)科7 個(gè)屬為+ssRNA 病毒，其余2 個(gè)科3 個(gè)屬為逆轉(zhuǎn)錄RNA病毒(表1)，此外還有一部分真菌病毒尚未有明確的分類(表2)。已報(bào)道的真菌病毒絕大多數(shù)為dsRNA 病毒，且不對(duì)寄主產(chǎn)生明顯影響[45-46]。

與其他病毒類群相似，真菌病毒的生命周期也是由：1)識(shí)別病毒受體，接觸并入侵細(xì)胞；2)病毒基因表達(dá)與基因組復(fù)制；3)病毒衣殼形成與病毒粒子裝配3 個(gè)部分構(gòu)成的[44]。不同于植物與動(dòng)物病毒，真菌病毒的傳播方式有兩種，分別為水平傳播和垂直傳播。垂直傳播即病毒以真菌的孢子為載體而進(jìn)行傳播的方式，作為載體的孢子絕大多數(shù)為無性孢子，而有性孢子病毒滴度較低，一般難以作為有效的病毒傳播載體，不是普遍的病毒傳播方式[47-48]。營養(yǎng)體親和的菌株在生長過程中菌絲會(huì)發(fā)生接觸和融合，病毒便通過真菌細(xì)胞間的接觸從被侵染的細(xì)胞轉(zhuǎn)移至健康的細(xì)胞，這種傳播過程稱為水平傳播[49]。

表 1 已發(fā)現(xiàn)的真菌病毒及其分類Table 1 Classification of mycoviruses

表 2 尚未有明確分類的真菌病毒Table 2 Mycoviruses that remain to be classified

侵染寄主后，一部分病毒對(duì)真菌不產(chǎn)生明顯影響[47]，而部分病毒卻會(huì)導(dǎo)致真菌的生長速度、形態(tài)、產(chǎn)孢量在內(nèi)的多個(gè)指標(biāo)明顯降低[50]，這一類病毒常具備生防利用的潛力，可用于植物真菌病害的防控。此外，目前研究發(fā)現(xiàn)病毒Curvularia thermal tolerance virus (CThTV)，侵染后可增強(qiáng)其真菌寄主Curvularia protuberate 及寄主所侵染的植物的耐熱能力[35]，說明除生防作用外，真菌病毒還存在其他可供利用的潛能，有待進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)。

2 草類植物病原真菌中的真菌病毒

除在喬木和糧食作物病原真菌中發(fā)現(xiàn)了真菌病毒外，在導(dǎo)致草類植物發(fā)病的病原真菌中也有病毒存在的報(bào)道(表3)。目前，已在包括Botrytis cinerea、Fusarium poae、F. solani、F. oxysporum、F. graminearum、Gaeumannomyces graminis、Helminthosporium victoriae、Rhizoctonia solani、Sclerophthora macrospora 等 導(dǎo) 致草類植物產(chǎn)生病害的病原中報(bào)道了真菌病毒的發(fā)現(xiàn)，并證實(shí)了部分病原真菌中攜帶的病毒具有弱致病作用，可降低寄主真菌對(duì)植物的致病能力[37,39,51-63]。

1960 年，Lindberg 從 引 致 燕 麥(Avena sativa)葉斑病的病原真菌H. victoriae 中分離出HvV190S 和HvV145S 兩種病毒[64]，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)這兩種病毒可降低H. victoriae 的致病作用，使燕麥葉斑病的發(fā)病情況顯著降低[55]，隨后的離體試驗(yàn)表明，這兩種病毒可導(dǎo)致H. victoriae 的生長速度下降，產(chǎn)生大量氣生菌絲且菌落形態(tài)由近圓形變?yōu)樯刃蝃58]，表明真菌病毒會(huì)導(dǎo)致H. victoriae “生病”，進(jìn)而導(dǎo)致病原致病能力的下降。近年來的研究表明，被侵染的H.victoriae 中，Hv-p68 和vin 兩個(gè)基因的表達(dá)量明顯上調(diào)，產(chǎn)生Hv-p68 和抗真菌蛋白前體victoriocin，其中Hv-p68 為具醇氧化酶、蛋白激酶和RNA 結(jié)合活性的多功能蛋白，其過度表達(dá)可將醇類物質(zhì)不可逆地氧化為對(duì)寄主有毒性的醛，而victoriocin 是一種廣譜的抗真菌蛋白，可靶向性地改變質(zhì)膜對(duì)陽離子透性，從而產(chǎn)生抑制寄主生長和減毒的作用[65-67]。

表 3 草類植物病原真菌中的病毒Table 3 Mycoviruses in pathogens of grasses

在導(dǎo)致豆科牧草根腐病和禾草褐斑病的病原R.solani 中也發(fā)現(xiàn)了具備減毒效應(yīng)的病毒RhSV1，該病毒具獨(dú)特的pA 多肽片段，可抑制寄主的莽草酸途徑，進(jìn)而導(dǎo)致奎寧酸誘導(dǎo)的弱毒效應(yīng)。莽草酸途徑是芳香氨基酸及其他代謝產(chǎn)物的合成途徑，而奎寧酸途徑是由土壤中植物組織分解的副產(chǎn)物奎寧酸誘導(dǎo)的碳利用途徑，這兩種途徑共用兩種中間產(chǎn)物脫氫莽草酸(DHS)和脫氫奎寧酸(DHQ)，正常條件下莽草酸途徑阻遏物QUTR 與轉(zhuǎn)錄激活物QUTA結(jié)合，阻礙奎寧酸途徑的表達(dá)。此外，莽草酸途徑產(chǎn)生的分支酸可顯著提高R. solani 的致病性。但在真菌病毒侵染的寄主中，RhSV1 編碼的pA 片段可與轉(zhuǎn)錄激活物QUTA 結(jié)合，形成pA-QUTA 復(fù)合物，阻礙莽草酸途徑而誘導(dǎo)奎寧酸途徑的進(jìn)行，進(jìn)而阻礙了寄主真菌芳香性氨基酸的合成。綜上研究者推測(cè)RhSV1 可能是通過抑制病原的莽草酸途徑來阻礙寄主代謝，進(jìn)而導(dǎo)致寄主的弱致病力現(xiàn)象[68-69]。

另外，研究發(fā)現(xiàn)真菌病毒FgV-ch9 對(duì)引起禾草赤霉病和苜蓿根腐病的病原F. graminearum 具有弱毒作用，被侵染的真菌寄主生長速度降低，產(chǎn)孢量下降，菌落形態(tài)異常，進(jìn)而導(dǎo)致致病力下降[70]，但該病毒的具體作用機(jī)理還有待進(jìn)一步研究闡明。

3 禾草內(nèi)生真菌中的真菌病毒

與牧草及草坪草病原中的真菌病毒研究相比，關(guān)于內(nèi)生真菌的真菌病毒方面研究較少。1998 年，在對(duì)紫羊茅(Festuca rubra)禾草內(nèi)生真菌Epichlo? festucae 的研究中發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)dsRNA 片段[71]，進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)該病毒為Victorivirus，并命名為Epichlo? festucae virus 1(EfV1)，該病毒具有兩個(gè)ORF，分別編碼CP 蛋白和RdRp，在兩個(gè)ORF 間由AUGA 4 個(gè)堿基的重疊，在ORF2 中具有8 個(gè)保守結(jié)構(gòu)域，通過內(nèi)生真菌的無性生殖方式進(jìn)行傳播，子囊孢子中沒有發(fā)現(xiàn)病毒的存在，但研究并沒有發(fā)現(xiàn)病毒會(huì)對(duì)寄主的生物學(xué)特征造成任何影響[72]。但有研究表明，真菌病毒的侵染使得內(nèi)生于禾草的真菌Tolypocladium cylindrosporum 伏馬菌素的產(chǎn)量降低[73]，此外，Herrero 等[74]對(duì)分離自天然草地的103株內(nèi)生真菌進(jìn)行了真菌病毒的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)22.6%的菌株中有病毒侵染，表明真菌病毒在內(nèi)生真菌群體中具有較廣泛的分布。

在熱帶稗草Dichanthelium lanuginosum 內(nèi)生真菌C. protuberata 中，真菌病毒Curvularia thermal tolerance virus (CThTV)為共生體提供了耐熱性[35,75]，該病毒由兩個(gè)片段組成，分別長2.2 和1.8 kb，兩個(gè)片段中各包含兩個(gè)ORF，其中ORF1a 和ORF1b編碼病毒的RdRp，可能通過移碼的方式進(jìn)行RdRp蛋白的表達(dá)，而ORF2a 和ORF2b 的功能目前還尚未闡明[35]。研究表明，在38 ℃下，不含病毒的共生體及非共生體的熱帶稗草均枯萎死亡，僅含有病毒的共生體可在該環(huán)境下存活；進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，在30 ℃環(huán)境下，不含病毒的C. protuberata 生長緩慢且不育的孢子數(shù)量相對(duì)于被侵染的真菌顯著增加[76]，在熱脅迫條件下，CThTV 可誘導(dǎo)寄主提高海藻糖和黑色素的合成量，提高活性氧解毒酶的活性，上調(diào)?；撬岱纸獯x途徑的強(qiáng)度，且激活部分熱激蛋白的活性[74]，使得寄主得以在熱脅迫條件下保持足夠的滲透壓調(diào)節(jié)能力，并及時(shí)清除過量的活性氧，提高抗逆性物質(zhì)的產(chǎn)量，進(jìn)而提高了共生體在熱脅迫下的抗逆性。

在菌根真菌中也有發(fā)現(xiàn)真菌病毒的報(bào)道。目前在菌根真菌Rhizophagus diaphanum 和R. irregularis中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了5 種病毒，其中RdMV1、RdMV2、RdMV3和RdMV4 為Narnavirus，而RirMV1 為Mitovirus[77]。在球囊霉(Glomus sp.)中也發(fā)現(xiàn)了兩種病毒GRF1V-S和GRF1V-M，其中GRF1V-M 長4.5 kb，具兩個(gè)ORF，侵染后會(huì)導(dǎo)致菌株孢子產(chǎn)量降低，但對(duì)植物具有促進(jìn)生長的作用，而該影響的具體機(jī)制還尚待進(jìn)一步研究[78]。

4 真菌病毒在草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的作用

真菌病毒作為草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中生命組成成分之一，與生態(tài)系統(tǒng)中的其他組成成分都有著直接或間接的相互關(guān)系(圖1)。真菌病毒侵染病原真菌后，抑制病原生長和產(chǎn)孢，降低病原的致病性，產(chǎn)生弱毒菌株[50,58]。而弱毒菌株寄生于牧草和草坪草后，搶占了強(qiáng)毒菌株的生態(tài)位，導(dǎo)致其難以成功在牧草或草坪草上侵染定殖[79]，提高了植物對(duì)病原物的抗性，從而提高了牧草產(chǎn)量和質(zhì)量以及草坪景觀的美觀程度。

真菌病毒對(duì)植物病害發(fā)病程度的降低變相降低了牧草中真菌毒素的含量，從而避免了家畜因過度采食高含量真菌毒素的牧草而導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失，提高了畜牧業(yè)產(chǎn)出。但也有真菌病毒直接調(diào)控真菌毒素產(chǎn)量的報(bào)道，如前文所述的被病毒侵染的內(nèi)生真菌T. cylindrosporum 會(huì)導(dǎo)致伏馬菌素產(chǎn)量下降[73]，此外Aspergillus flavus 菌株NRRL 5565 和NRRL 5940 的黃曲霉素產(chǎn)量也受到真菌病毒的抑制[80-81]，但也有研究得出相反的結(jié)論，Nerva 等對(duì)Aspergillus ochraceus中赭曲霉素進(jìn)行測(cè)定時(shí)發(fā)現(xiàn)，真菌病毒的侵染提高了宿主赭曲霉素的含量[80]。

圖 1 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中真菌病毒、植物和家畜的相互作用Figure 1 Mycovirus, plant, and livestock interactions in a pasture agroecosystems

部分真菌病毒侵染內(nèi)生真菌后，為內(nèi)生真菌和共生體均提供了耐熱性，形成了病毒-內(nèi)生真菌-禾草共生體，增加了草地壽命，提高了草地的生態(tài)服務(wù)價(jià)值[35,70,75]。

5 總結(jié)與展望

目前，已在包括草類植物病原及內(nèi)生真菌等相關(guān)微生物中發(fā)現(xiàn)了真菌病毒的存在，且進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)部分草類植物病原中存在具弱毒特性的真菌病毒，禾草內(nèi)生真菌中的部分真菌病毒對(duì)共生體的抗性存在影響，此外，部分真菌病毒會(huì)對(duì)真菌次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)量產(chǎn)生影響。但目前有深入研究的草類植物中的真菌病毒僅占很少一部分，需要對(duì)更多病毒展開基因組測(cè)序、傳播方式、生物學(xué)特性等方面的研究，此外真菌病毒與草類植物病原之間的分子互作機(jī)理還仍待闡明；而對(duì)于影響禾草-內(nèi)生真菌共生體抗性的部分真菌病毒還需進(jìn)行更進(jìn)一步的研究，探究其影響機(jī)制，簡而言之，是病毒直接提供抗性，還是病毒和真菌的協(xié)同作用導(dǎo)致抗性的產(chǎn)生。

在草類植物中關(guān)于真菌病毒的相關(guān)研究還處于起步階段，盡管目前已在病毒的檢測(cè)、鑒定、病理學(xué)等方面開展了一些工作，但仍不夠全面，尚有大量草類植物相關(guān)微生物未進(jìn)行真菌病毒相關(guān)的研究。根據(jù)前人在相關(guān)領(lǐng)域的研究結(jié)果及研究趨勢(shì)，筆者認(rèn)為，對(duì)于草類植物的真菌病毒研究方面，1)應(yīng)進(jìn)一步在牧草、草坪草病原及內(nèi)生真菌等草類植物相關(guān)微生物中廣泛開展真菌病毒的探索，從而發(fā)現(xiàn)更多真菌病毒種類，并探索其多樣性、生物學(xué)、生態(tài)學(xué)、病理學(xué)等方面的特性和作用；2) 對(duì)于具弱毒作用的真菌病毒，應(yīng)進(jìn)一步深入研究其與寄主間的互作機(jī)理，并進(jìn)行弱毒菌株篩選，進(jìn)行生物防治相關(guān)制劑的開發(fā)與利用；3)對(duì)于可為草類植物提供增益的真菌病毒，應(yīng)進(jìn)一步探究其影響機(jī)理，并探索其在草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的利用價(jià)值。