综述:植物中天然存在的抗烟草花叶病毒成分:综述

时间:2026年3月13日
来源:Pesticide Biochemistry and Physiology

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烟草花叶病毒(TMV)对农作物造成严重经济损失,化学农药长期使用导致病毒耐药性和环境污染问题。植物源性天然化合物(如黄酮类、萜类等)因其安全性、多样性和结构复杂性成为研究热点。本文系统综述2010年以来34种植物来源的241种天然小分子、多糖及蛋白的抗TMV活性,分析其抑制病毒吸附、RNA复制及衣壳蛋白组装等作用机制,并探讨结构活性关系(SAR)及半合成改造策略。当前研究挑战包括高活性化合物筛选困难及作用机制解析不足,未来需加强多组学整合与绿色农药开发。

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王俊梅|王菊香|肖珊珊|苗英顺|王正轩|刘菊婷|王宏伟|刘亚萍|Hesham R. El-Seedi|周文兵|程贵光
昆明理工大学食品科学与工程学院,中国昆明650500

摘要

烟草花叶病毒(TMV)是一种典型的植物病毒,对农作物造成严重损害,导致巨大的经济损失。由于其高致病性和抗逆性,研究人员长期致力于开发抗病毒剂,包括化学合成的药物如利巴韦林和杜氟林,以及生物来源的抗病毒剂如宁南霉素。然而,这些合成农药的频繁和长期使用导致了TMV的抗药性的出现,同时引发了严重的健康和环境问题,极大地限制了农业的可持续发展。相比之下,植物来源的天然化合物已成为“绿色植物保护”理念下重要的抗病毒剂资源。本文综述了天然抗病毒剂及其抑制机制。迄今为止,已发现了来自34种植物的多种蛋白质、多糖和241种天然小分子,包括生物碱、黄酮类、萜类等化合物。此外,本文还探讨了当前抗TMV药物发现中的挑战,为未来的基础研究和应用提供了理论基础。

引言

植物病毒病,被称为“植物癌症”,是仅次于真菌病害的第二大破坏性植物病原体,对全球农业生产造成了巨大损失(Hu等人,2022b)。其中,烟草花叶病毒(TMV)是最具破坏性的植物病毒之一。TMV是一种杆状单链RNA病毒,属于Tobamovirus属,大小约为18纳米×300纳米。其病毒颗粒由6395个核苷酸组成的RNA基因组构成,呈螺旋结构,并被2130个相同的衣壳蛋白亚单位包裹(Lumata等人,2021)。TMV具有广泛的宿主范围,能够感染65个科中的885种植物。经济上重要的宿主包括烟草、番茄、辣椒(均为茄科作物)、黄瓜以及多种观赏植物(Cai等人,2020)。全球范围内,TMV感染每年造成的农业损失超过10亿美元(Li等人,2025)。
TMV感染的植物会出现花叶症状、畸形、矮化和生长受阻等问题,严重影响产量和质量(Li等人,2025)。在烟草中,早期感染表现为幼叶上出现明显的脉络带状斑纹。随着病毒破坏光合作用功能,叶绿素缺乏现象逐渐明显。随后病毒复制导致叶片组织内细胞异常增生,使叶片厚度和颜色不均匀——这是花叶病的典型特征。感染中期,广泛的坏死病变加剧了花叶症状。最终,受感染的叶片严重变形,出现明显的皱缩和变形(图1)(Abdelkhalek等人,2022)。
TMV具有高致病性和显著的环境适应性。目前治疗TMV的主要策略包括农业控制、化学控制和生物控制,其中化学控制仍是主要方法。然而,尽管这些合成农药被广泛使用,但它们可能对农业、环境和人类健康产生不良副作用。长期和大量使用后,易出现抗性菌株,进一步促进了病毒抗性的发展(Wang等人,2025)。除了对目标病原体的影响外,这些化合物还对有益土壤微生物构成威胁,可能导致土壤和水体污染。此外,作物上的化学残留物可能威胁食品安全和人类健康。最近的研究表明,某些化学抗病毒化合物的残留物与糖尿病、癌症和神经系统疾病的发生有关(Rani等人,2021)。随着生态安全和可持续农业受到越来越多的关注,传统化学控制的局限性变得日益明显,迫切需要高效、安全和环保的抗病毒替代品(van Bruggen等人,2015)。
近年来,由于结构多样性、良好的生物相容性和低环境持久性,天然植物化合物成为有前景的抗病毒候选物质。值得注意的是,尽管目前合成小分子在抗病毒药物开发中占主导地位,但许多合成药物都是基于植物天然产物的结构优化开发的。这些天然小分子的结构复杂性和广谱生物活性为抗病毒药物设计提供了宝贵模板。同时,合成化学的进步也促进了植物天然产物的探索和应用。
通过使用“TMV”和“天然化合物”在Web of Science Core Collection中检索的出版物进行关键词共现分析,本文综述了现有的天然抗病毒剂研究成果。2012年至2025年间新发现的植物来源抗病毒化合物的数量及其相关研究文献的年度趋势如图2所示。在此期间,新化合物的发现呈现出明显的阶段性特征:2016年数量达到峰值约70种,相关文献也大幅增加,为后续研究奠定了坚实基础。2016年后,新报告的化合物数量逐渐减少,但研究文献仍持续发表。这表明从传统植物资源中容易发现的新化合物已被广泛研究,因此发现新结构变得越来越困难。因此,研究重点从简单分离新化合物转向深入研究作用机制、结构-活性关系(SAR)分析和半合成修饰。植物来源抗病毒化合物库的建立为新型合成抗病毒小分子的设计和开发提供了宝贵模板,成为天然产物发现与合成药物研究之间的关键桥梁。
本文系统总结了自2010年以来具有抗TMV活性的植物来源天然产物,包括蛋白质、多糖、生物碱、酚类化合物、萜类等小分子,如图3所示。讨论了它们的结构特征、抗TMV活性和潜在的抗病毒机制,以及该领域的当前挑战和未来发展方向。本文旨在为绿色高效植物农药的开发提供参考,并为新型抗病毒剂的合成提供先导化合物(表1)。

部分摘录

来自植物的抗病毒剂

在生命周期中,植物不断面临各种生物和非生物胁迫。为了应对这些挑战,植物进化出了复杂的防御机制,其中次生代谢物的生物合成起着关键作用。这些天然产物通过直接抑制病原体入侵来保护植物。除了在植物防御中的生态功能外,这些天然化合物还代表了宝贵的资源

控制烟草花叶病毒的机制

不同的活性物质具有不同的作用靶点,因此表现出不同的抗TMV机制。为了更有效地控制TMV,减少其对烟草的伤害,并提高植物来源抗病毒化合物的利用效率,研究人员越来越关注其作用机制,以全面了解病毒特性。如图19所示,当前关于TMV抗性机制的研究

植物代谢物的抗TMV活性分析

使用质量浓度(μg/mL)作为评价单位,系统比较和分析了241种植物代谢物的抗烟草花叶病毒(TMV)活性,结果见表2。不同结构类型的植物代谢物在抗TMV活性和作用模式上存在显著差异。基于活性强度、浓度效应和稳定性的综合分析,甾体糖苷表现出最佳的整体抗TMV效果

结论

本文系统回顾了自2010年以来报道的植物来源抗TMV活性物质及其作用机制,涵盖了蛋白质和多糖等生物大分子,以及来自34种不同植物的241种代谢物,包括生物碱、黄酮类、萜类等小分子化合物。本文不仅全面展示了植物来源抗TMV物质的多样性,还体现了这些物质的丰富性

CRediT作者贡献声明

王俊梅:撰写——初稿、软件处理、数据分析、概念构思。王菊香:软件处理、方法学。肖珊珊:数据可视化、方法学、实验研究。苗英顺:数据验证、实验研究、数据管理。王正轩:数据可视化、方法学、概念构思。刘菊婷:项目监督、概念构思。王宏伟:数据验证、实验研究。刘亚萍:实验研究、概念构思。Hesham R. El-Seedi:撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本工作得到了云南省重大科技项目(2024530000241009和2023530000241013)、国家重点科技项目(110202201021(LS-05)以及昆明市高层次人才引进与培养项目(2022SCP003)的支持。

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