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植物病毒可能正在重塑我们的世界 病毒群体非常庞大,它们占据每一个可以想象的生物生态位，从灼热的海底地热羽流通道口到寒冷的苔原，这些神秘的入侵者，在惰性物质和生命之间徘徊，它们是地球上最丰富的生命形式。 病毒被公认为是巧妙的病原体，包括几乎所有的细菌，真菌，植物和动物，它们侵入的一切都会导致疾病。然而，病毒学领域的最新进展表明，病毒比先前所认识的更为重要和复杂，并且可能对多种生态系统的运行至关重要。 我们现在知道人类含有大约100000个病毒DNA元素，占我们基因组的8％左右。关于这些古老病毒片段的作用的猜测从防止疾病到增加患癌症或其他严重疾病的风险不等，科学家们承认，他们几乎没有触及这个谜团的实质。 美国亚利桑那州立大学生物设计研究所的研究员阿尔文·瓦尔萨尼带领的一个国际团队探索了病毒的许多细节。 他们发现，病毒感染过程由三个部分组成：病毒本身，被病毒感染的植物细胞宿主以及和中间载体之间的微妙相互作用，这一复杂的系统演变了大约4.5亿年。这三个要素都嵌入在周围生态系统更广泛的关系当中。 病毒学领域的最新研究表明，病毒有时对它们所感染的生物有益。瓦尔萨尼说：“在此之前，人们一直将病毒视为造成疾病的元凶。这打破了我们如何研究病毒的所有教条。” 难以捉摸的病毒 1892年，俄罗斯植物学家德米特里·伊万诺夫斯基进行了一项简单的实验，对科学和医学产生了重大影响。他从患病的烟草植物中采集树液，通过非常细小的毛孔喂养该物质，并证明这种过滤后的液体可以感染健康的烟草植物。过滤证明，无论致病实体是什么，它都比细菌更小。 荷兰植物学家和微生物学家贝耶·林克将这种神秘的致病物质称为病毒，在1931年电子显微镜没发明之前，病毒的真实形态在光学显微镜下不可见。这是一种杆状植物入侵者，被称为烟草花叶病毒，它是人类有记录以来发现的第一个病毒。 绝大多数病毒尚未被发现 从那时起，人类已经确定了数以千计的不同的病毒，但它们只代表病毒世界的一小部分，其中绝大部分尚未被发现。 实际上，病毒由什么构成也没有单一的答案。它们的大小差异很大，从携带少量基因的埃博拉病毒到最近发现的巨型病毒。 瓦尔萨尼说：“我现在看待病毒的方式来自哲学角度。它们是一个动态的实体，它们有多种生活方式，从基本的，完全依赖宿主，到某些只能部分依赖宿主的情况。” 一些病毒可以如此迅速地进化，交换和获取新的遗传元件，它们的基因组可以变成嵌合体，甚至是片段化的，使得对它们进行适当分类成为了病毒学领域的严重挑战。 从生态学的角度来看，植物病毒由于多种原因而特别重要。植物占地球生物量的80％以上，对地球多样化的生态系统产生的影响大于感染其它生命王国的病毒。植物病毒对粮食作物和观赏植物具有明显的重要性，一系列植物病毒每年造成全球约600亿美元的作物损失。 为了捕捉地球病毒世界的惊人丰富性，研究人员已经超越了早期确定单个病毒颗粒并对其进行分析的方法。称为“病毒进化结构转变探测”（metaviromics）的技术用于探测全部病毒存在的环境。该方法依赖于将来自环境样品的多个DNA或RNA基因组拼接在一起，这种技术近来已被用于鉴定大量先前未记录的病毒。对于植物病毒而言，这些病毒片段通常从昆虫载体中提取，所述昆虫载体将病毒从植物运送到植物。 新方法揭示了一堆新病毒 “病毒进化结构转变探测”技术测序是一种用于研究病毒群落的特别有效的技术。与细胞生命具有单一的共同起源不同，病毒是多系的，这意味着它们是多种起源的结果。尚未鉴定出所有病毒具有共有的单一基因。虽然已经在病毒衣壳中观察到常见的蛋白质基序，但这些可能是趋同进化或水平基因转移的结果，而不是遗传元件。 “病毒进化结构转变探测”技术对于梳理植物，载体和病毒之间的共生关系及其随时间变化的关系特别有用。由于病毒学发端以来的大量研究一直侧重于病毒作为人类和植物中的致病因子，病毒，载体和宿主之间的共生相互作用的性质和程度很可能研究不足。 现在科学家们认为，病毒可能通过限制包括作物在内的遗传同质植物的生长，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病原体和共生相互作用的程度和重要性。感染链中一个至关重要的环节是特定昆虫载体的行为及其病毒传播方式，尽管还有许多其他因素发挥作用，包括营养物质，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发挥着巨大的作用。与动物病毒不同，植物病毒通常不通过感染和未感染个体之间的直接接触传播。相反，植物病毒通过载体（特别是昆虫）以及通过花粉和种子传播。 据信植物病毒传播模式在病毒对其宿主的作用中起作用。如果病毒通过种子或花粉传播，病毒应该限制其对宿主植物繁殖成功的有害影响，甚至可能比未感染的植物具有适应性优势。 从父母到子代植物的病毒传代被称为垂直传播。相反，当昆虫载体将病毒从植物转移到植物时，发生水平病毒传播。这种媒介传播的攻击对受感染的植物来说可能更加无情，只需要确保它们继续传播到适当数量的健康植物，植物病毒就获得成功。 多种载体可传播植物病毒，包括蛛形纲动物，真菌，线虫和一些原生生物，但超过70％的已知植物病毒是由昆虫传播的，大多数来自半翅目，包括蝉，蚜虫，稻飞虱，叶蝉和盾虫。 这些昆虫可以利用身体构造，比如口器用来刺穿和提取树液或植物细胞材料。植物病毒的昆虫传播可以通过在感染植物上摄食后，在唾液中排泄病毒颗粒而发生。或者，植物病毒可以永久地结合到昆虫的唾液腺中，允许载体在整个昆虫的一生中将病毒传播到新的植物。 有趣的是，许多昆虫传播的植物病毒可能已经进化出影响载体行为的机制，使受感染的植物对吸食昆虫更具吸引力，或确保受感染的植物产生促进昆虫行为的化学物质，这有助于促进传播。 除了复杂多变的感染链外，一些植物病毒还具有另一种独特的特性。这些病毒以多个数据包传输其基因组，每个数据包仅包含部分病毒的完整遗传密码，封装在单独的病毒颗粒中。这种特殊的策略需要将几种病毒颗粒共同传播给新宿主以确保病毒基因组的完整性，这是一种被认为是植物病毒独有的特征。这些所谓的多方病毒的性质和进化仍然是一个生物学难题。 植物病毒在其策略中显示出相当大的独创性，这些策略高度依赖于其给定的环境。有些植物病毒是通才，可入侵多个物种，而别的植物病毒则是偏向于狭窄范围植物宿主的专家。这种选择性可能通过称为“自适应辐射”的过程随时间而发展。这通常发生在病毒面临异质栖息地，并变得专门的适应性以利用特定生态资源，同时变得不适合利用其它生态资源时。这种专业化适应过程的主要作用是限制不同病毒谱系或物种之间的竞争。或者，通才病毒感染多个植物宿主，但必须与其它病毒竞争这些资源。这种情况往往导致病毒群体的多样性降低，由最急剧适应的病毒基因型占主导地位。 病毒的起源 虽然研究人员认为病毒缺乏一个共同的祖先，但是它们如何以及何时出现在生命网络中的详细过程仍然存在争议。 目前有三种常见的假设，尽管它们并不相互排斥。也许病毒是从自由活细胞进化而来的，这是权力下放学说或称为回归假设。它们也可能起源于以某种方式逃离活细胞的RNA和DNA分子。第三种学说认为，病毒可能曾经作为与细胞一起进化的自我复制实体存在，最终失去其独立状态。 “病毒进化结构转变探测”研究正在帮助揭示病毒之间的基础关系，并确定许多植物，真菌和节肢动物病毒的共同起源。 生态系统中人类造成的破坏正在以地球历史上前所未有的速度发生，这一过程正在改变病毒，媒介和宿主关系。 这些破坏的影响可能是培养出具有在宿主中引起疾病的能力提高的突发病毒。随着生态社区，通过人类土地利用的变化而变得更紧密，现有的互动网络突然转变，这些互动网络在进化时间上用以稳定宿主与本地载体和病毒的关系。 进入这种被破坏的生态系统的任何致命实体更有可能迅速在人群中传播，并积极地传染不同的生物。 对植物病毒的研究和理解将有助于人类和植物种群未来的健康和可持续性。 |
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