在过去的几十年里，模式植物的分子生物学研究取得了令人瞩目的进展。然而，在与人类休戚相关的农作物、果树等经济类植物中，分子水平上的研究却远远落后，无法满足人们对其改良育种的需要。这其中一个重要的原因就是，迄今为止，转基因、基因突变等分子生物学常规操作在大多数植物中依然存在技术瓶颈，需要我们逐一去突破。可喜的是，近些年快速发展起来的一种被称为病毒诱导的基因沉默技术有望使这一局面得以改观。病毒诱导的基因沉默（Virus-induced gene silencing，VIGS）在植物的基因功能鉴定中是一个非常有用的工具，与传统的研究植物基因功能的方法相比，具有简便高效、周期性短、不需要对植物进行转化，以及可以沉默基因家族等特点，并且可以在物种间和物种内不同遗传背景的植物间进行基因功能的比较。而且，尽管VIGS没有通过稳定的植物转化过程，人们近年来发现其沉默效应也能够传递给后代，这预示着该技术有望在作物改良上发挥巨大的潜力，应用前景十分广阔。

基因沉默（Gene silencing）是植物界中普遍存在的一种抗病毒反应。在长期的生物进化中，植物为了保护自己，限制外源核酸入侵，形成了基因沉默这种防卫保护机制。基因沉默发生在两种水平上，一种是由于DNA甲基化、异染色质化以及位置效应等引起的转录水平上的基因沉默（transcriptional gene silencing，TGS），另一种是转录后基因沉默（post-transcriptional gene silencing，PTGS），即在基因转录后的水平上通过对靶标RNA进行特异性降解而使基因失活。在这两种水平上引起的基因沉默都与入侵核酸片段和宿主基因的同源性有关。

根据植物的抗病毒防御机制，研究人员发展出了病毒诱导的基因沉默（Virus induced gene silencing，VIGS）这一项新技术。VIGS是指携带目的基因片段的病毒侵染植物后，可诱导植物内同源基因的沉默，从而帮助我们通过对植物表型变化的研究来分析目的基因的功能。VIGS包括3个重要步骤：将待沉默的宿主目标基因片段插入病毒基因组，感染合适的宿主植物，最后利用植物抵抗病毒感染的防卫机制沉默目标基因^{[1, 2, 3]}。

最初，VIGS的报告是对本氏烟草中八氢番茄红素脱氢酶（phytoene desaturase，PDS）基因的沉默^{[4, 5]}。后来的一段时期人们通过对专门的病毒载体的研发^[6]和改进^[7]，大大增强了VIGS技术的实用性^[1]。尽管VIGS的机制仍在研究中^{[8, 9, 10, 11]}，但是关于这种由RNA或DNA组成的VIGS载体复合物接种植株后所产生的VIGS过程，这些年的一些发现已经帮助我们描绘出了一个清晰的框架^{[12, 13]}，即DNA和/或RNA病毒通过病毒双链RNA（dsRNA）以及病毒小干扰RNA（siRNA）的形成引发了VIGS^[14]。具体来讲，为了沉默特定的植物内源基因，先构建好一个携带有目标片段的重组病毒载体^[5]；一旦病毒侵入了宿主植物体，病毒dsRNA首先被DCL4（Dicer-like 4）核酸酶裂解转化成siRNA^[10]；随之siRNA被植物中RNA依赖的RNA聚合酶1（RDR1）、RDR2和RDR6所扩增^[15]；然后，siRNAs与AGO1（Agronaute）复合体结合，从而获得靶向植物细胞中同源RNA或DNA的能力^{[1, 6, 8, 16]}；siRNAs与AGO1的复合体通过与靶标RNA相互作用可导致后者的核酸被内切裂解，因而同源RNA的翻译被抑制^{[8, 17]}，这样就形成了转录后的基因沉默（post-transcriptional gene silencing，PTGS）；而该复合体如果与核内的DNA靶标分子相互作用则将通过DNA和/或组蛋白的修饰导致转录抑制，形成转录水平上的基因沉默（transcriptional gene silencing，TGS）。

VIGS的应用十分广泛^{[1, 2, 3, 18, 19, 20]}，具有以下优势：（1）可以简单、快速地沉默基因；（2）无需建立稳定的植物转化体；（3）只需部分序列信息就足以沉默一个基因；（4）VIGS能被同时用于正向和反向遗传学研究；（5）VIGS可被用于沉默多拷贝的基因（如多倍体植物小麦Triticum aestivum中的基因）或者基因家族的多个成员；（6）VIGS可对那些在有性繁殖的植物中采用突变体（或基因反义敲除）方法会产生致死作用的基因功能进行研究^{[1, 2]}。此外它还具有特异性好和能用于高通量功能基因组研究的优点^{[18, 21, 22]}。而且，尽管VIGS没有通过稳定的植物转化过程，人们发现其沉默效应也能够传递给后代^[23]。

VIGS也存在着一些不足：（1）VIGS对目的基因功能的抑制不够完全，未沉默的基因仍有可能产生足够的功能蛋白，因此无法在接种植物中观察到典型的沉默表型；（2）如果没有全基因组序列或是足够的EST信息，使用VIGS将会遇到基因家族中功能冗余基因的干扰，对沉默效率造成影响；（3）大部分的VIGS表型不具有遗传性，所以无法在种子萌发或在幼苗生长早期表达中利用VIGS进行功能基因研究；（4）基因的沉默效率或是沉默表型不是非常的稳定，在不同的实验组或者不同的植株的研究中，结果可能不完全一致，通常在实验中设置一个沉默后能够有可见表型的标记基因作为阳性对照可以解决这一问题。

近些年来，研究人员开发出了一系列的VIGS载体，使得VIGS技术在很多植物种的不同生理过程中的基因功能鉴定上得到应用^[24]，如植物的发育过程^{[25, 26]}、疾病抗性^{[27, 28]}、昆虫抗性^{[29, 30]}，及非生物胁迫抗性的反应过程^{[2, 31, 32, 33]}等。其中，仅在非生物胁迫方面就已针对干旱、盐胁迫、氧化胁迫及极端温度胁迫，在VIGS步骤上做了很多优化^[32]。最新的研究也显示，通过对培养温度、侵染后培养天数等参数的优化可以提高沉默效率，在载体中融入绿色荧光蛋白（Green Fluorescent Protein，GFP）片段能够减少植物的病毒症状^[34]，而事先建立起适当的沉默效率评估方法更有利于高效地使用载体^[35]。VIGS在载体侵染植物的方法上也获得了不少进展，诸如开发出了主要针对叶片的农杆菌喷淋、病毒液接种，以及对芽体进行真空渗透^{[2, 36, 37]}等接种途径。众多的改进大大促进了研究人员对基因功能的批量研究工作，并且推动了VIGS的商业化应用^{[38, 39, 40]}。

如上所述，随着技术的研发和不断改良，VIGS中的多数问题已得到了有效的解决。目前，影响VIGS广泛应用的限制因素主要还是缺乏能够有效用于不同植物种中的VIGS载体。起初，VIGS几乎只能应用在烟草中，使用的是Tobacco mosaic virus（TMV）^[5]、Tobacco rattle virus（TRV）^[41]等病毒载体。后来，很多RNA和DNA病毒陆续被改造成基因沉默载体^{[1, 23, 42]}。新载体和新的接种方法的出现使得VIGS技术能够应用到越来越多的双子叶植物种类中，其中仅TRV载体，就被成功用于多种不同的植物，如烟草叶片^[41]、番茄果实^{[7, 43]}等。但是自VIGS技术发明以来，VIGS载体的应用一直是依赖于植物种的。直到采用Barley stripe mosaic virus（BSMV）载体沉默大麦（Hordeum vulgare）基因的报道出现，VIGS用于单子叶植物功能基因组的研究才开始起步^[44]。近年来，众多新载体尤其是通用载体的研发^[45]，不断地拓展VIGS的应用范围。目前，应用最广泛的VIGS载体，有Apple latent spherical virus（ALSV）^{[46, 47]}、Barley stripe mosaic virus（BS-MV）^[48]以及Tobacco rattle virus（TRV）^[41]等。

在研究中，人们发现在合适的条件下，VIGS的作用能够持续几年甚至一直持续到植物死亡^[23]。这种高效的贯穿了植物的整个生命周期的VIGS，此处我们称之为长效VIGS。长效VIGS有望取代突变体和RNA干扰（RNA interference，RNAi）在生物学研究中的地位，而且对于那些不能够进行遗传转化的植物尤其适用。

VIGS技术在发明的早期被认为是不能遗传给后代的，这也在很大程度上限制了该技术的应用。但随着研究的深入开展和新载体的不断开发，VIGS的遗传功能也陆续被发现，而且在沉默的子代植株中呈现出了很高的沉默效率和良好的均一性^[46]。

首先，VIGS可通过种子向后代传递^[23]。此外，宿主植物通过营养繁殖和体外扩繁的方式将VIGS传给子代，也已得到证实。如马铃薯在块茎繁殖过程中将体内的Potato virus X（PVX）病毒沉默载体传递给后代^[50]。而通过体外扩繁把VIGS传给子代的方式则更为多样，如组织培养和愈伤培养^[38]以及沉默植株的原生质体分离^[50]等。

如前文中所述的基因沉默原理，基于转录后基因沉默（post-transcriptional gene silencing，PTGS）的可遗传VIGS称为非整合型可传递的转录后基因沉默（non-integration-based transmissible PTGS）^[51]。此类型的基因沉默可通过种子^{[23, 46, 47]}和营养繁殖的方式传给后代并维持很长的时间，且在子代中出现病毒症状的情况很少。然而其发生机制迄今未能明确，且目前能完成该类型沉默的载体也十分有限，效果较好的载体有TRV^[23]和BSMV^[51]等。当然，不是所有病毒载体都能够通过种子传递到子代的。在使用不能通过种子传递的载体时，就不能达到遗传PTGS的目的。基于转录水平基因沉默（tran-scriptional gene silencing，TGS）的可遗传VIGS称为可遗传的转录水平上的基因沉默（Heritable TGS）^{[51, 52]}。近来的研究发现，植物中由dsRNA靶向宿主内源基因启动子而导致的获得性表观遗传上的改变，是能够遗传的^[53]。采用这种方法可以培育出持久基因沉默的植株，并且其后代在保持沉默效应的同时体内不存在转基因和病毒成分^[54]。种子繁殖和营养繁殖都能稳定地遗传这种TGS。同样，能诱导TGS的载体也很少，目前报道过的只有3个，分别是Cucumber mosaic virus（CMV）^[55]、Potato virus X（PVX）^[12]和Apple latent spherical virus（ALSV）^[52]。选择采用PTGS还是TGS方法沉默基因取决于病毒载体的种类。

VIGS技术应用于植物研究，在很多方面优于其它的基因阻断方法，这些优势可能还会超出我们的想象。现阶段的VIGS已经能够直接应用于部分农作物，如马铃薯、番茄、大豆、小麦、大麦、水稻和玉米。可遗传的VIGS也有望直接应用于农作物改良，生产出不含转基因成分的基因改良作物，迄今为止，采用VIGS鉴定植物基因功能的探索已超过10年的时间。随着载体和方法上的继续进步，我们相信VIGS必将在这个基因组时代发挥更重要的作用。