我们对橡树的健康状况进行了二十多年的观察,发现了具有特征性的病毒疑似症状。橡树所在的果园于1992年在北莱茵-威斯特伐利亚(德国)克罗伊茨塔尔(Kreuztal)地区建立,共有186丛1302株幼苗。
叶片上出现绿斑环斑和其他斑驳的幼苗数量每年都有波动,但在过去20年中从3.3%增加到12.1%;受影响的丛生数量从8%增加到25.9%。一项科学突破是通过高通量测序(HTS,又称“下一代”测序技术)鉴定了一种与欧洲山棒环斑病毒属(Emaravirus)相关的橡树中的新病毒。
用一种新研发的病毒特异性诊断逆转录聚合酶链反应(RT-PCR)技术连续三年对橡树幼苗进行了筛选,证实了病毒感染的存在,并揭示了观察到的叶片不良症状与新病毒之间有着近100%的关联。
由于在HTS数据集中没有发现其他植物病毒,我们假设这种新病毒是引起叶片不良症状的主因。为可靠地检测橡树中的新病毒,应采用以病毒RNA3或RNA4为观察点的RT-PCR检测方法,对有症状的叶片组织进行常规检测。
广泛分布的橡树物种正在减少
橡树是欧洲地区最重要的落叶乔木之一,对于欧洲的经济和生态发展有着重要意义。该木材可以作为燃料、其树皮能用于制造皮革、还能用于建筑业、给牲畜提供橡子。在34个欧洲国家,有花梗和肉茎的橡树,其占地面积约49000平方公里。
在德国,大约10%的林地上都有橡树,橡树成为了仅次于欧洲山毛榉(Fagus sylvatica L.)的第二大落叶树种。高质量木材的生产与增加轮伐时间和提高劳动力成本有关。
欧洲早在20世纪初和最近几十年就有报道称橡树会枯萎和衰退。根据历史记录和树木年代学测量结果显示,欧洲中部橡树减少造成了很多问题,包括空气污染,氮富营养化,土壤受到化学反应影响,极端天气如冬天霜冻以及夏季干旱,引发落叶昆虫,引起真菌疾病等。然而,很少有人关注植物病毒,尽管早在1985年就将这类病毒列为树木衰退的假定因素。
大多数植物病害对植物生长和生产力有不利影响,树木死亡率提高,某些植物物种甚至完全被破坏导致企业遭受近100%的损失。多种病毒共同感染或将增强致病性。
有关病毒对林木影响的信息有限,还有待研究。例如之前的研究表明,虽然健康的桃树比未感染的桃树产生的小果实稍多,成熟早,但被感染轻度洋李痘疱病毒(即天花病毒PPV)的桃树的产量效率在统计学上没有表现出差异。
PPV、洋李矮缩病毒(PDV)和李属坏死环斑病毒(PNRSV)的混合体已经感染了一些桃树品种,它们相继出现生长被抑制、树皮腐烂、树干畸形和树木死亡的现状。PPV与其它病毒的协同作用使幼苗的生长量减少了2.9%~69.1%。
在德国北部的苗圃和几个德国林区对欧洲橡树(Quercus robur L.)的健康状况进行了调查,结果观察到许多幼苗和树木具有特征性的病毒样症状,如褪绿环斑、褪绿斑、斑点大面积遍布。
其中一些植物的嫩枝退化,造成了木质原材料损失惨重。早在20世纪70年代,人们就已经描述了这些症状,并且通过目测及检查后认为是由病毒病原体引起的。
然而,迄今为止,无论是病因学还是流行病学都没有描述清楚引发这些问题的原因。为了证明病毒样症状的生物本质并确定出假定的病原体,我们将重点放在出现症状的树上,同时具体描述欧洲橡木上的病毒样症状以及由此产生的叶片混淆变色的原因。
有关橡树衰退的原因和影响的知识认知进度缓慢,部分原因是该问题的复杂性。因此,我们的目的是:(i)首先通过视觉观察方法了解实验场地中橡树20多年的健康状况;(ii)记录特征性病毒疑似症状;(iii)通过HTS鉴定橡树中存在的一种新病毒;(iv)验证新病毒与褪绿环斑相关联的病毒特异性逆转录聚合酶链反应(RT-PCR)技术的应用可行性。
实验结论
通过上述调查,我们对实验场地中的橡树进行了全面的筛选,证实了(i)使用以病毒RNA3和RNA4为观察点的RT-PCR技术进行常规检测是适用的;(ii)病毒基因组片段的检测情况与病株叶片上的褪绿环斑之间存在着明确关联。
由于高温超导数据集没有提示其他植物病毒的参与,我们假设上文提到的新病毒是观察到的引起叶片不良症状的主要原因。由于欧洲山棒环斑病毒属(Emaravirus)的基因组成随基因组片段的不同而变化,我们不能排除这种新病毒可能有其他基因组片段的可能性,进一步研究新病毒的分子特征,以及阐述清楚其生物学特征是必需的。
虽然并非所有的欧洲山棒环斑病毒属(Emaravirus)都具有生物学特征,但研究证实了该病毒存在着多种传播方式,包括林木瘿螨、嫁接、机械手段(如接种和使用受污染的切割工具)、(少量)种子传染。
在目前的研究中,受病毒感染的树木比例在观察期间从3%增加到12%。观察这些树木的分布情况,表明病毒是通过载体传播的,正如欧洲山棒环斑病毒属(Emaravirus)之类的病毒情况所显示的那样。
然而,迄今为止,无论是带菌者由来还是人工机械方式是否会传播病毒都没有得到证实。此外,目前尚不清楚为什么病毒不会必然更广泛地传播到同一集群内的相邻幼苗,反而是传播到相邻集群。在本研究中,病毒的抗药性情况我们已经考虑在内,将来还需要考虑到植物防御因素。
生物和非生物条件环境都影响植物对压力事件的反应。植物的生长环境很少是理想的,基本上只能说“过得去”;偶发性的压力事件会使植物更加容易接受接种物,反之则抵抗它。
大多数植物病毒被认为是引起农业和园艺作物病害的病原体。它们对宿主有害,因为它们依赖宿主资源来支持自己的繁殖和传播。
但随着研究的推进,逐步证明病毒与宿主的利害关系的本质取决于环境。例如,在正常环境条件下致病的病毒在有压力的环境下其实反而对宿主有益。
当病毒能够改善生物压力带来的影响,并帮助植物对抗非生物产生的压力时,病毒就是有益的。以白三叶草花叶病毒为例,植物感染该病毒后,对真菌蚊虫的吸引力较小;如果野生葫芦被感染了小西葫芦黄花叶病毒,它就不容易吸引甲虫。
如果病毒的菌株“毒害”能力一般,也可以用来保护植物免受严重病毒菌株的感染。这被称为病毒弱毒株交叉保护,它已被证明是一个用于打击破坏病原体的强有力方法。
感染植物病毒,不受其宿主范围的影响,实际上病毒有时候还能保护其宿主免受干旱环境的影响。受病毒感染的烟草、甜菜和水稻,他们出现干旱状态的时间会更晚,其叶片比未受病毒感染的烟草、甜菜和水稻保持水分的时间更长。
当环境中的水分输入较少时,受大麦黄矮病毒感染的小麦在土地里正常生长,其结实率、种子产量和种子萌发等状况均优于同类,且叶片含水量较高。
病毒对干旱环境的抗性生理机制仍有待阐明。有人认为,这种保护作用可能是由于病毒诱导的渗透保护剂和抗氧化剂(如花青素)的积累。
同样地,脯氨酸,一种蛋白原氨基酸作用于渗透性调节,有助于亚细胞结构的稳定和自由基的清除,当它在甜橙(柑橘)中被感染柑橘衰退病毒时总是具有较高的浓度。
假设被病毒感染的存活植物随后是可以产生后代的,在极端干旱的压力环境下,它们的存活表现不错,能自行调节以适应环境。
进一步研究病毒对树木适应度和种群数量的影响是十分必要的。然而,证明病毒有益于植物宿主是困难的,因为在生态系统中,病毒和宿主不是孤立存在的。因此,病毒对植物的益处或危害可能取决于病毒与群落中其他参与者之间的相互作用如何影响其组成,并最终影响宿主的适应性。
虽然观察到的叶片不良症状与橡树中的欧洲山棒环斑病毒属(Emaravirus)之间的关联接近100%,但病毒的检测结果与幼苗的整体表现之间的关联性并不存在,充其量只能说关键性很弱。因此,被病毒感染的幼苗甚至可能出现在一棵生长茂盛的树上。目前缺乏可靠的数据来预测被病毒感染的橡树在未来的生长情况。
既然此次研究表明了橡树退化并不都是因为病毒造成的,某种程度上讲,病毒甚至在特定环境下还会有利于植物的生长,那么我们接下来需要面对的问题还是如何保护树木资源提升木材质量。
我们发现,本次研究橡树的实验保护场地支持森林遗传资源的保护和开发。在气候变化时期,高质量的幼苗是成功重新造林的必要条件。如果幼苗在不利环境下移栽后必须具有较高的存活和生长能力,则必须仔细研究它的品质特征再解决不利因素。
总之,植物病毒在非生物产生的压力条件环境下可以延长其宿主的存活时间,如果植物随后还能够恢复生长和繁殖,这可能反而对宿主有利。迄今为止,对病毒的这种有益作用的研究很少,也许我们还需要开辟新的渠道来加强造林和相关研究,同时想出更多决策维护林木的健康生长。