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第一个被发现的病毒——烟草花叶病毒(TMV)

花匠小妙招
2024-09-16 06:52

今天介绍的病毒，是第一个被发现的病毒——烟草花叶病毒(Tobacco Mosaic Virus/TMV)。

简介

烟草花叶病毒烟草花叶病毒

烟草花叶病毒（TMV）是烟草花叶病毒属中的一种单链正义RNA病毒，可感染多种植物，尤其是烟草和茄科的其他成员。感染会导致特征性的模式，例如“马赛克”样的斑点和叶子变色(因此得名)。TMV是第一个被发现的病毒。尽管从19世纪末开始知道一种非细菌性传染病正在破坏烟草作物，但是直到1930年，这种传染病才被确定为病毒。它是第一种被鉴定为病毒的病原体。

历史

1886年，阿道夫·梅耶（Adolf Mayer）首次描述了烟草花叶病，这种疾病可在植物之间传播，类似于细菌感染。1892年，罗刹科学家德米特里·伊万诺夫斯基（Dmitri Ivanovsky）首次提供了非细菌性传染原的具体证据，表明即使通过最好的Chamberland过滤器过滤后，被感染的汁液仍具有传染性。后来，在1903年，伊万诺夫斯基发表了一篇论文，描述了受影响烟草植物宿主细胞中异常的晶体细胞内包裹体，并提出了这些包裹体与传染原之间的联系。[4]然而，尽管屡屡未能提供证据，伊万诺夫斯基仍然坚信该病原体是不可培养的细菌，其体积太小，无法保留在所用的Chamberland滤光片上，无法在光学显微镜下检测到。 1898年，马丁努斯·贝耶林克（Martinus Beijerinck）独立复制了伊万诺夫斯基的过滤实验，然后证明了这种传染原能够在烟草植物的宿主细胞中繁殖和繁殖。Beijerinck创造了“病毒”一词，表示烟草花叶病的病原体具有非细菌性质。烟草花叶病毒是第一个被结晶的病毒，它是由Wendell Meredith Stanley在1935年实现的，他还表明TMV甚至在结晶后仍保持活性。由于他的工作，他后来获得了1946年诺贝尔化学奖的1/4，尽管后来证明了他的一些结论（特别是纯蛋白质晶体，并通过自动催化组装而成）是不正确的。TMV的第一张电子显微镜图像是1939年由Gustav Kausche，Edgar Pfankuch和Helmut Ruska（诺贝尔奖获得者Ernst Ruska的兄弟）制成的。1955年，Heinz Fraenkel-Conrat和Robley Williams表明纯化的TMV RNA及其衣壳（外壳）蛋白自行组装成功能性病毒，表明这是最稳定的结构（自由能最低的结构）。晶体学家罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin）在斯坦利大学伯克利分校工作了大约一个月，后来为1958年在布鲁塞尔举行的世界博览会设计并制造了TMV模型。 1958年，她推测该病毒是空心的，而不是实心的，并假设TMV的RNA是单链的。她去世后，她的假设被证明是正确的，现在被认为是正义RNA链。烟草花叶病的调查以及其病毒性质的随后发现对病毒学一般概念的建立是有帮助的。

病毒结构

烟草花叶病毒烟草花叶病毒烟草花叶病毒衣壳(CP)

烟草花叶病毒具有杆状外观。它的衣壳由2130分子衣壳蛋白和一分子基因组单链正义RNA组成，长6400个碱基。外壳蛋白在RNA周围自组装成杆状螺旋结构（每螺旋圈16.3个蛋白质），形成发夹环结构。蛋白质单体由158个氨基酸组成，这些氨基酸被组装成四个主要的α-螺旋，这些螺旋通过近于病毒体轴的突出环连接在一起。病毒粒子的长度约为300nm，直径约为18nm。负染色的电子显微照片显示出半径为2nm的独特内部通道。 RNA位于4nm的半径处，并被外壳蛋白保护免受细胞酶的作用。基于3.6Å(0.36纳米)分辨率的电子密度图，研究了完整病毒的X射线纤维衍射结构。衣壳螺旋内部的核心附近是卷曲的RNA分子，它由6395±10个核苷酸组成

病毒基因组

烟草花叶病毒基因组

TMV基因组由6.3–6.5 kb单链（ss）RNA组成。 3'末端具有类似tRNA的结构，而5'末端则具有甲基化的核苷酸帽——m7G5’pppG。基因组编码4个开放阅读框（ORF），其中两个由于泄漏的UAG终止密码子的核糖体通读而产生单一蛋白质。这4个基因编码一个复制酶（具有甲基转移酶[MT]和RNA解旋酶[Hel]域）和RNA依赖性RNA聚合酶，所谓的运动蛋白（MP）和衣壳蛋白（CP）。

物理化学性质

TMV是热稳定病毒。在干燥的叶子上，它可以承受高达50°C（120华氏度）的作用30分钟。除此以外，TMV具有约1.57的折射率。

病毒生命周期

虽然TMV没有明显的越冬结构。但是，它会在受感染的烟梗和土壤中受污染种子表面的叶子中过冬（TMV甚至可以在受污染的烟草产品中生存多年，因此吸烟者可以通过触摸意外地传播它，尽管不在烟雾中传播）。通过其载体与宿主植物直接接触（通常是昆虫，如蚜虫和叶蝉），TMV将经历感染过程，然后是复制过程。

感染与传播

倍增后，它通过胞浆线虫进入邻近的细胞。感染通过直接接触邻近的细胞而扩散。为了使其顺利进入，TMV产生了一种称为P30的30kDa运动蛋白，该蛋白会扩大胞瘤。TMV最有可能作为RNA，P30和复制蛋白的复合物在细胞之间移动。

它还可以通过韧皮部传播，以在植物内进行更长距离的移动。而且，TMV可以通过直接接触从一棵植物传播到另一棵植物。尽管TMV没有确定的传播载体，但通过人为操作，病毒可以很容易地从受感染的宿主传播到健康的植物。

复制

通过机械接种进入宿主后，TMV脱壳以释放其病毒正义RNA链。当发生脱膜时，MetHel—Pol基因被翻译成加帽酶MetHel和RNA聚合酶。然后，病毒基因组将进一步复制，并通过由正义 RNA 3'端的tRNAHIS引发的反义RNA中间体产生多个mRNA。产生的mRNA编码几种蛋白质，包括外壳蛋白和RNA依赖性RNA聚合酶（RdRp），以及运动蛋白。因此，TMV可以复制自己的基因组。

合成TMV的外壳蛋白和RNA基因组后，它们以高度组织化的过程自发组装成完整的TMV病毒体。这些启动子聚在一起形成磁盘或“锁紧垫圈”，该磁盘或“锁紧垫圈”由以螺旋状排列的两层启动子组成。螺旋衣壳通过在杆的末端增加启动子而增长。随着杆的延长，RNA通过其中心的通道并在生长末端形成环。这样，RNA可以很容易地以螺旋状插入螺旋状衣壳内部。

宿主与植物病害

像其他植物病毒一样，TMV具有广泛的宿主范围，并且根据被感染的宿主而具有不同的作用。众所周知，在北卡罗来纳州，烟草花叶病毒会导致烤烟的生产损失高达2％。已知感染了9个植物科的成员，并感染了至少125个单独的物种，包括烟草，番茄，胡椒（茄科的所有成员），黄瓜，许多观赏花卉和包括菜豆和菜豆在内的豆类，例如豇豆（Vigna unguiculata）。TMV有许多不同的菌株，该病毒病的第一个症状是嫩叶的静脉之间呈浅绿色。随后迅速在叶片中形成浅色和深绿色区域的“马赛克”或斑驳图案。在被感染的植物叶片上显示出小的局部随机皱纹的地方也可以看到金红石质。这些症状迅速发展，在较年轻的叶子上更为明显。它的感染不会导致植物死亡，但是如果在季节的早期发生感染，则会使植物发育迟缓。下部叶片容易遭受“马赛克烧伤”，特别是在炎热干燥的天气期间。在这些情况下，叶片上会形成较大的死区。这构成了烟草花叶病毒感染的最具破坏性的阶段之一。感染的叶子可能会卷曲，起皱或拉长。但是，如果TMV感染了葡萄和苹果等农作物，则几乎没有症状。

环境抗性

TMV被称为最稳定的病毒之一。它的生存范围很广。只要周围温度保持在大约40摄氏度以下，TMV就能维持其稳定状态。它所需要的只是感染宿主。如果有必要，由于可能的寄主的高人口密度和全年的恒定温度，温室和植物园将为TMV的传播提供最有利的条件。

治疗方式

TMV的常见控制方法之一是卫生，其中包括清除受感染的植物并在每次种植之间洗手。还应采用轮作以避免至少两年感染土壤或种子床。对于任何植物病害，也可能建议寻找抗TMV的抗性菌株。此外，可以采用交叉保护方法，其中通过用温和的TMV株感染宿主植物来抑制更强的TMV感染株，类似于疫苗的作用。

在过去的十年中，已经开发了在宿主植物基因组上进行基因工程的应用，以使宿主植物能够在其细胞内产生TMV外壳蛋白。据推测，TMV基因组进入宿主细胞后将迅速重新包被，因此可防止TMV复制的启动。后来发现，保护宿主免受病毒基因组插入的机制是通过基因沉默。

TMV被粘菌多头绒泡菌(Physarum polycephalum)的产物抑制。烟草和菜豆(P. vulgaris)和豇豆(V. sinensis)在用多头绒泡菌提取物处理后，在体外均未遭受TMV的损害。

科学影响力

烟草花叶病毒超精细显微结构

关于TMV的大量文献及其在结构生物学（包括X射线衍射），病毒组装和拆卸等方面的许多开创性研究中的选择，基本上是由于可以获得大量信息，以及以下事实：它不会感染动物。在温室中种植了几百株受感染的烟草植物，然后经过一些简单的实验室程序后，科学家可以产生几克这种病毒。

詹姆斯·D·沃森（James D.Watson）在他的回忆录《DNA双螺旋》《The Double Helix》中引用了他对TMV螺旋结构的X射线研究，作为推论DNA分子性质的重要证据。

应用

植物病毒可以用来工程化病毒载体，这是分子生物学家通常用来将遗传物质传递到植物细胞中的工具。它们也是生物材料和纳米技术设备的来源。基于TMV的病毒载体包括magnICON®和TRBO植物表达技术的载体。由于其圆柱形的形状，高的长宽比，自组装的特性以及将金属涂层（镍和钴）结合到其外壳中的能力，TMV是结合到电池电极中的理想选择。将TMV添加到电池电极中，可将反应表面积增加一个数量级，与平面电极几何形状相比，可将电池容量增加多达六倍。