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禾谷多黏菌传播的麦类病毒分子生物学和防治研究

禾谷多黏菌传播的麦类病毒病是一类研究难度大、危害重的世界性病害。有关禾谷多黏菌与这类病毒的内在关系国内外自上世纪50年代起研究一直没有取得突破。陈剑平于上世纪80年代末通过改进菌体包埋和切片技术,对上万个菌体超薄切片进行电镜观察,首次在该菌体内发现大麦和性花叶病毒(BaMMV)和大麦黄花叶病毒(BaYMV),从而提供了真菌传播植物病毒的直接证据,揭示了真菌与其传播病毒的内在关系,为真菌传植物病毒研究和防治奠定了基础。成果被评为“1992年度全国十大科技成就”之一,获1995年度国家科学技术进步奖一等奖。

禾谷多黏菌体内大麦和性花叶病毒

上世纪90年代初,陈剑平通过研究获得了由禾谷多黏菌传播的土传小麦花叶病毒(SBWMV)等4种麦类病毒自发缺失突变体,详细阐述了自发缺失突变的环境因子和缺失突变过程,提出由复制酶工作错误导致的缺失突变机理,揭示病毒因缺失突变而丧失禾谷多黏菌传播的特性,为开辟真菌传植物病毒防治新体系提供了研究思路。探明了世界范围内由禾谷多黏菌传播的麦类病毒共有9种,发现并鉴定中国小麦花叶病毒(CWMV)和欧洲小麦花叶病毒(EWMV)等2种新种,阐明这些病毒的分布和发病规律。建立的大麦黄花叶病(BaYMV)和小麦黄花叶病(WYMV)综合防治技术在全国病区推广应用累计7542万亩次,取得显著的经济效益,对控制病害流行危害起到了积极作用。形成的2个成果分别获2001年和2005年度国家科学技术进步奖二等奖。

小麦黄花叶病毒田间发生情况,河南(航拍)

本世纪初以来,本团队在禾谷多黏菌及其传播的麦类病毒分子生物学研究方面取得新进展。通过生物信息学方法发现我国禾谷多黏菌存在I型(Ib亚型)和II型(IIb亚型)两种类型,I型菌或两种菌型复合侵染的植株均可单独或同时携带WYMV及CWMV,菌型及传播的病毒之间不存在显著的相关性。研究明确WYMV编码的P3N-PIPO蛋白与病毒的致病性相关,P1、P2 和 P3 是膜状内含体的主要组成蛋白;遗传变异分析表明WYMV具有明显的地理局限性;阐明CWMV编码CP蛋白的翻译机制,其编码的19-、23-和84K蛋白在病毒粒子包被、症状形成具有不同作用;鉴定了19K-CRP和37K蛋白分别为病毒的沉默抑制子和运动蛋白;验证了TaRdR6和TaHSP70分别参与病毒的低温致病与复制;解析了CWMV功能蛋白及其寄主因子蛋白翻译后修饰参与病毒与寄主互作的重要通路;分析了WYMV和CWMV来源的vsiRNA在病毒基因组的分布特征,并验证其参与症状形成;证明了CWMV复制酶的VRpep和WYMV 14K蛋白与病毒的致病性相关。最近,又成功构建了CWMV和WYMV的全长侵染性克隆,并开发了适用于低温环境下高效的VIGS载体,为深入开展禾谷多黏菌传麦类病毒的反向遗传学及小麦功能基因研究奠定基础。

应用小麦抗病品种(左)防控小麦黄花叶病(感病品种(右)作对照

在新种质资源的创制方面,本团队将WYMV Nib基因导入感病小麦品种扬麦158,与中国农业科学院作物研究所和江苏里下河地区农业科学研究所合作,获得持久高抗小麦黄花叶病毒的转基因小麦植株,并解析了其抗性机制。

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建立了土传小麦病毒病绿色防治技术体系,2013~2018年在全国小麦主产区累计推广应用1.2亿亩次,取得显著的经济、社会和生态效益。

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经过30多年的坚持和努力,本团队在1996~2005年期间发表的禾谷多黏菌传播的麦类病毒病研究论文占世界同一研究领域发表的论文总数28%,2006~2015年期间占70%,形成鲜明的优势和特色。

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以创新成果为依据撰写《真菌传播的植物病毒》专著(148.6万字,2005年4月由科学出版社出版)是至今世界上真菌传植物病毒研究领域唯一的一部著作,对真菌传植物病毒研究具有重要的理论和实践意义。

主要研究者:陈剑平、孙丽英、羊健、李俊敏、程晔、余初浪、林林、孙炳剑

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