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双生病毒(Geminivirus)是全球危害最严重的植物DNA病毒家族之一，却凭借紧凑的基因组、高效自主的复制能力等独特优势，成为植物分子生物学与生物技术领域的重要工具。近日，中国科学院华南植物园邓书林团队在国际权威期刊Biotechnology Advances(IF5年=15.7)发表了题目为“Geminivirus vectors: From gene silencing to synthetic biology”的综述，系统梳理了双生病毒载体从病毒诱导的基因沉默(Virus-Induced Gene Silencing, VIGS)到合成生物学的发展历程与核心应用，为作物改良、生物制药等领域提供关键技术参考。
双生病毒基因组以及编码的病毒蛋白包括两大核心关键特征：茎环结构(Stem-loop)和Rep蛋白。病毒复制必需的关键蛋白Rep蛋白可以识别病毒基因组中的茎环结构，起始并完成病毒DNA的滚环复制。通过组装这两个关键的核心组件，可以构建出在宿主细胞中高效自主复制的双生病毒复制子(Geminiviral Replicons, GVRs)。作为VIGS载体，双组分双生病毒，通过替换AV1基因，插入靶标序列;而单组分双生病毒，则需要借助卫星DNA(α/β/δ卫星DNA)构建VIGS载体。在合成生物学领域，GVR依赖其高效自主复制能力，可以显著地提高蛋白质产物的产量以及GRISPR/Gas系统介导的基因编辑效率。此外，双生病毒基因组及卫星DNA中发现的多种基因表达调控元件也丰富了GVR的应用。
展望未来，双生病毒复制子的应用前景还有许多领域待开发。首先，GVR可以作为植物细胞中的“类质粒”工具，模拟微生物质粒的功能，用于植物体内定向进化等创新研究。其次，茎环结构与Rep蛋白并不是双生病毒所特有的，而是CRESS DNA病毒门(Cressdnaviricota)中都普遍存在的，其中也包括动物及真菌病毒，因此GVR存在应用于动物及微生物细胞的潜力。另外，双生病毒科含有500多个病毒种，可以侵染140多种植物，因此双生病毒提供了巨大的资源去挖掘并优化载体。最后，通过改造双生病毒基因组，构建“植物疫苗”，可以增强作物对病虫害与非生物胁迫的耐受性。
双生病毒载体的发展，完美诠释了“化害为利” 的生物技术理念。从基础研究中的基因功能验证，到应用层面的作物改良与生物制药，这类载体正成为连接基础研究与产业应用的核心桥梁。
中国科学院华南植物园张艺副研究员为论文第一作者，邓书林研究员为通讯作者。该团队长期致力于双生病毒与植物相互作用的分子机理研究，以及双生病毒载体的开发利用。本研究得到了广州市科技计划项目、国家自然科学基金面上项目、广东省科技计划项目及北京生命科学研究院有限公司开放基金的资助。论文链接：https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2025.108771
图1. 双生病毒基因组及卫星DNA
图2. 双生病毒复制子及其应用
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