综述:利用嵌合病毒和基因替代技术解析柑橘衰退病毒(Citrus Tristeza Virus)的蚜虫传播决定因素

《Virology》:Dissecting aphid transmission determinants in Citrus Tristeza Virus using chimeric viruses and gene substitutions

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年05月04日 来源:Virology 2.4

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  Turksen Shilts|Yasser Nehela|Nabil Killiny佛罗里达大学柑橘研究与教育中心植物病理学系,美国佛罗里达州Lake Alfred市700 Experiment Station Rd., 33850摘要柑橘凝集病毒(CTV)是全球范围内对柑橘经济

  
Turksen Shilts|Yasser Nehela|Nabil Killiny
佛罗里达大学柑橘研究与教育中心植物病理学系,美国佛罗里达州Lake Alfred市700 Experiment Station Rd., 33850

摘要

柑橘凝集病毒(CTV)是全球范围内对柑橘经济影响最大的病毒病原体,通过多种蚜虫传播,其中Aphis [Toxoptera] citricidus的传播效率最高。不同CTV基因型之间的传播效率存在显著差异,但导致这些差异的病毒决定因素尚未得到充分理解。在本研究中,我们使用了一种基因工程改造的CTV-T36突变体(CTV-T36Δp33Δp18Δp13)作为载体,探讨了三个病毒基因、和在蚜虫传播中的作用。该突变体来源于传播效率较低的T36分离株,缺乏与宿主特异性和可能介导病毒传播的因子相关的三个辅助基因。为了评估这些基因对传播性的影响,我们将缺失的基因替换为来自高传播性CTV-FS577分离株的对应基因。结果发现,这种嵌合病毒的传播效率提高了约50%(从原始的约0.6%提升到1.1%)。序列分析显示,在这三个被替换的基因中,只有在T36和FS577之间存在差异,表现为一个氨基酸的变化(K174R)。这一变化在其他高传播性分离株如T68-1中也存在,这表明可能是影响传播性的关键因素。我们的研究结果强调了作为蚜虫介导的病毒传播过程中关键蛋白质的重要性,并表明高效的传播需要多个病毒蛋白(包括、和)的协同作用。这项工作为揭示病毒-媒介相互作用的分子机制提供了新的见解。

引言

柑橘凝集病毒(CTV)属于Closteroviridae科,是全球范围内分布最广、危害最严重的柑橘病毒之一(Aknadibossian等人,2025年)。它已导致包括美国、巴西、阿根廷、委内瑞拉、西班牙和澳大利亚在内的主要柑橘生产国中超过1亿株嫁接在酸橙(Citrus aurantium)砧木上的柑橘树死亡(Aknadibossian等人,2025年;Jackson等人,2026年;Rocha-Pena,1995年)。疾病症状因柑橘品种、病毒株系和砧木的不同而异。甜橙、柑橘和葡萄柚常出现茎部凹陷,而柠檬和酸橙则表现为生长受阻和黄化(Aknadibossian等人,2025年;Jackson等人,2026年)。嫁接在酸橙上的树木特别易感,通常会迅速衰退并死亡。此外,CTV感染会改变受感染柑橘植物的生物化学成分、生理机能和矿物质组成,削弱植物的防御能力,使其更容易受到其他生物胁迫(Alkhamis等人,2026年)。然而,某些毒性较低的病毒株系可能引起无症状感染,并有可能在商业上用于柑橘园的交叉保护(Jackson等人,2026年)。
尽管像CTV-T36这样的低毒性株系通常不会在柑橘植株上引发可见症状,但最近的转录组分析表明,感染仍会引发广泛的分子重编程(Joshi等人,2025年)。在C. macrophylla中的研究表明,接种基于CTV的感染性克隆后,植物的宿主基因表达、免疫信号传导和代谢调节发生了显著变化(Joshi等人,2025年)。此外,CTV与柑橘之间的相互作用具有高度特异性,主要取决于病毒株系和宿主基因型的组合(Khalilzadeh等人,2025年)。因此,在将这种克隆用于病毒表达系统或柑橘研究中的病毒诱导基因沉默(VIGS)时,应考虑这些宿主反应。尽管如此,由于其稳定性、高效的系统传播能力和在柑橘植株中的持久性以及较轻微的表型影响,CTV-T36感染性克隆仍是最广泛使用和可靠的工具之一,适用于包括转基因表达和基于VIGS的功能基因组学研究。例如,CTV-T36感染性克隆已被广泛用于沉默多种内源柑橘基因,如phytoene desaturase(PDS)(Killiny等人,2019年,2021年;Killiny和Nehela,2019年)和δ-aminolevulinic acid dehydratase(δ-ALAD)(Killiny等人,2020年),当插入序列以反义方向表达时,沉默效率更高(Killiny等人,2019年)。
此外,在我们的最新研究中,CTV-T36感染性克隆被用作VIGS载体,同时传递针对内源柑橘基因(CsPDS)和昆虫媒介亚洲柑橘木虱(Diaphorina citri)的外源基因,包括abnormal wing disc(DcAwd)和wingless(DcWnt)(Killiny等人,2025年)。这种方法产生了兼具视觉和行为特征以及RNAi介导的毒性的植物,有效实现了“吸引并杀死”策略,从而减少媒介存活并可能限制柑橘黄化病的传播。总体而言,这些特点凸显了CTV-T36感染性克隆作为强大实验平台的多功能性,使其特别适合研究媒介传播的分子决定因素。
CTV由多种蚜虫传播,包括棉蚜(Aphis gossypii)、 Spiraea蚜(Aphis spiraecola)、黑柑橘蚜(Toxoptera aurantii)和棕色柑橘蚜(Aphis [Toxoptera] citricidus)(Harper等人,2016年;Mathioudakis等人,2025年)。其中,棕色柑橘蚜是最高效的传播媒介,目前几乎存在于所有柑橘种植区(Moreno等人,2008年)。它的宿主范围主要限于芸香科植物。与其他蚜虫相比,它能更有效地传播大多数CTV株系(Yokomi等人,1994年)。传播方式为半持久性:蚜虫在几秒到30分钟内获得病毒并将其传播给新的宿主(Bar-Joseph等人,1989年)。一旦获得病毒,它会在媒介体内持续24-48小时(Bar-Joseph等人,1989年)。
传播效率受蚜虫种类和病毒基因型的影响(Harper等人,2018年)。目前已鉴定出至少六种主要的CTV基因型:T30、T68、T36、T3、VT和抗性破坏(RB)组,它们的基因组核苷酸同源性为80.5-92.4%(Harper,2013年)。基因组的5′端比3′端变异更大(Mawassi等人,1996年)。不同株系的传播率有所不同:例如,T36株系的传播效率低于2%(Brlansky等人,2003年;Harper等人,2016年),而NZ-B18株系(T68和VT的自然重组体)的传播效率超过40%(Harper等人,2009年)。多重基因型的混合感染会进一步复杂化传播过程,因为蚜虫可能会选择性地从共感染的植物中获取并传播某些基因型(Harper等人,2018年)。
CTV病毒颗粒较长且柔软,包裹着长约20 kb的单链正义RNA基因组。该基因组包含12个开放阅读框(ORFs)和两个非翻译区(UTRs)(Aknadibossian等人,2025年;Karasev等人,1995年)。5′端编码两种与复制相关的蛋白质:一个349-kDa的多聚蛋白(ORF1a)和一个54-kDa的RNA依赖性RNA聚合酶(ORF1b)(Aknadibossian等人,2025年;Karasev等人,1995年)。3′端通过亚基因组RNA编码十个ORFs,包括次要外壳蛋白(CPm、P27)、主要外壳蛋白(CP、P25)以及多个辅助蛋白,如P33、P6、P65(HSP70h)、P61、P18、P13、P20和P23(Aknadibossian等人,2025年;Karasev等人,1995年)。
其中,CP、CPm、P61和P65对病毒颗粒的组装至关重要,P61还参与系统性感染(Satyanarayana等人,2000年)。热休克蛋白同源物P65(HSP70h)与植物HSP70蛋白相似(Karasev等人,1995年)。P20与Beet yellows virus(BYV)的P21蛋白有同源性,而P33、P18、P13和P3是CTV特有的(Dolja等人,2006年)。P33、P20和P23具有抑制RNA沉默的作用(Lu等人,2004年)。P33、P18和P13是决定媒介宿主范围的因子,尤其是P33因其多功能性而在病毒传播中起重要作用(Tatineni等人,2008年,2011年;Khalilzadeh等人,2025年)。
在本研究中,我们使用了一种传播效率较低的CTV-T36突变体作为病毒载体,探讨了病毒蛋白在蚜虫传播中的作用。这种突变体(CTV-T36Δp33Δp18Δp13)在三个基因(p33、p18和p13)上存在缺失,这些基因均与宿主范围和媒介相互作用有关。为了识别影响传播效率的病毒决定因素,我们使用了高传播性的CTV-FS577分离株作为供体。我们通过三个逐步取代步骤,将CTV-T36Δp33Δp18Δp13基因组的3′半部分替换为CTV-FS577的相应序列,共替换了大约12个基因。

章节摘录

实验植物、蚜虫群体和CTV分离株

本研究中使用的宿主植物包括Nicotiana benthamiana、Citrus macrophylla和墨西哥青柠(C. aurantiifolia)。所有植物均在佛罗里达大学柑橘研究与教育中心(CREC,坐标28°10′ N, 81°17′ W,Lake Alfred)的受控温室条件下生长(温度25±2°C,相对湿度65±5%,光照周期16:8小时)。柑橘植株大约15±3个月大,高度约为60厘米,具有单一的铅笔粗细的茎。

只有基因,而非或基因,可以提高CTV的传播效率

为了研究序列变化对传播性的影响,我们测定了三种构建的CTV杂交克隆的传播效率,并将其与之前使用的两种CTV载体T36和FS577进行了比较。先前的研究表明,CTV-T36的传播频率非常低(380次传播中仅有2次阳性结果,图1E),而CTV-FS577的传播率更高(24%,图1F)(Harper等人,2016年)。在本研究中, triple-deletion突变体

讨论

柑橘凝集病毒(CTV)具有约19.3 kb的正义RNA基因组,编码至少19种蛋白质,分布在12个开放阅读框(ORFs)中(Aknadibossian等人,2025年;Karasev等人,1995年;Sun等人,2024年)。5′端包含复制相关基因(ORFs 1a和1b),而3′端编码结构蛋白和多个辅助基因,包括p6、p65(HSP70h)、p61、CPm、CP以及p33、p18、p13、p20和p23(Aknadibossian等人

资助

本项工作得到了SCRI-NIFA, USDA提供的201500955-04号资助的支持。

CRediT作者贡献声明

Turksen Shilts:概念设计、数据整理、正式分析、实验设计、方法学研究、初稿撰写及审稿编辑。Yasser Nehela:软件使用、数据可视化、初稿撰写。Nabil Killiny:概念设计、数据整理、正式分析、资金获取、项目管理、资源协调、软件开发、实验监督、结果验证、数据可视化及终稿撰写和审稿编辑。

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的研究结果。

致谢

作者感谢实验室成员们的有益讨论、详细评论和建设性建议。同时,我们也感谢C.T. Bierman、Cecile Roberson和Shelley E. Jones在ELISA分析、嫁接操作以及温室管理方面的协助。
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