Вирусы растений — это вирусы , которые могут поражать растения . Как и все другие вирусы, вирусы растений являются облигатными внутриклеточными паразитами , которые не обладают молекулярным аппаратом для репликации без хозяина . Вирусы растений могут быть патогенными для сосудистых растений («высших растений») .
Большинство вирусов растений имеют форму палочек , с белковыми дисками, образующими трубку, окружающую вирусный геном ; изометрические частицы являются другой распространенной структурой. Они редко имеют оболочку . Подавляющее большинство имеет геном РНК, который обычно небольшой и одноцепочечный (ss), но некоторые вирусы имеют двухцепочечные (ds) РНК, одноцепочечные ДНК или двухцепочечные ДНК геномы. Хотя вирусы растений не так хорошо изучены, как их аналоги животных, один вирус растений стал очень узнаваемым: вирус табачной мозаики (TMV), первый вирус, который был обнаружен. Этот и другие вирусы вызывают потерю урожайности сельскохозяйственных культур во всем мире на сумму около 60 миллиардов долларов США каждый год. Вирусы растений сгруппированы в 73 рода и 49 семейств . Однако эти цифры относятся только к культурным растениям, которые представляют собой лишь малую часть от общего числа видов растений. Вирусы в диких растениях изучены недостаточно, но взаимодействие между дикими растениями и их вирусами часто, по-видимому, не вызывает заболевания у растений-хозяев. [1]
Для передачи от одного растения к другому и от одной растительной клетки к другой растительные вирусы должны использовать стратегии, которые обычно отличаются от стратегий животных вирусов . Большинство растений не двигаются, поэтому передача от растения к растению обычно включает векторы (например, насекомых). Растительные клетки окружены твердыми клеточными стенками , поэтому транспорт через плазмодесмы является предпочтительным путем для вирионов для перемещения между растительными клетками. Растения имеют специализированные механизмы для транспортировки мРНК через плазмодесмы, и считается, что эти механизмы используются РНК-вирусами для распространения от одной клетки к другой. [2] Защита растений от вирусной инфекции включает, среди прочего, использование siRNA в ответ на dsRNA . [3] Большинство растительных вирусов кодируют белок для подавления этого ответа. [4] Растения также уменьшают транспорт через плазмодесмы в ответ на травму. [2]
Открытие вирусов растений, вызывающих заболевания, часто приписывают А. Майеру (1886), который работал в Нидерландах и продемонстрировал, что сок мозаики, полученный из листьев табака, развивал симптом мозаики при инъекции в здоровые растения. Однако инфекция сока уничтожалась при кипячении. Он считал, что возбудителем были бактерии. Однако после более обширной инокуляции большим количеством бактерий ему не удалось развить симптом мозаики.
В 1898 году Мартинус Бейеринк, профессор микробиологии в Техническом университете Нидерландов, выдвинул свою концепцию о том, что вирусы были маленькими, и определил, что «мозаичная болезнь» оставалась заразной при прохождении через фильтр-свечу Шамберленда . Это отличалось от бактерий и микроорганизмов , которые задерживались фильтром. Бейеринк назвал инфекционный фильтрат « contagium vivum fluidum », отсюда и возник современный термин «вирус».
После первоначального открытия «вирусной концепции» возникла необходимость классифицировать все другие известные вирусные заболевания на основе способа передачи, хотя микроскопическое наблюдение оказалось бесплодным. В 1939 году Холмс опубликовал классификационный список из 129 вирусов растений. Он был расширен, и в 1999 году было официально признано 977 видов вирусов растений, а также несколько предварительных видов.
Очистка (кристаллизация) TMV была впервые выполнена Уэнделлом Стэнли , который опубликовал свои выводы в 1935 году, хотя он не определил, что РНК была инфекционным материалом. Тем не менее, он получил Нобелевскую премию по химии в 1946 году. В 1950-х годах открытие, сделанное одновременно двумя лабораториями, доказало, что очищенная РНК TMV была инфекционной, что усилило аргумент. РНК несет генетическую информацию для кодирования производства новых инфекционных частиц.
В последнее время исследования вирусов были сосредоточены на понимании генетики и молекулярной биологии геномов вирусов растений , с особым интересом к определению того, как вирус может реплицироваться, перемещаться и заражать растения. Понимание генетики вируса и функций белка использовалось для изучения потенциала коммерческого использования биотехнологическими компаниями. В частности, полученные из вирусов последовательности использовались для обеспечения понимания новых форм устойчивости . Недавний бум в технологиях, позволяющих людям манипулировать вирусами растений, может предоставить новые стратегии для производства белков с добавленной стоимостью в растениях.
Вирусы настолько малы, что их можно наблюдать только под электронным микроскопом . Структура вируса определяется его белковой оболочкой , которая окружает вирусный геном . Сборка вирусных частиц происходит спонтанно .
Более 50% известных вирусов растений имеют форму палочек ( изгибающих или жестких). Длина частицы обычно зависит от генома, но обычно она составляет от 300 до 500 нм при диаметре 15–20 нм. Субъединицы белка могут быть размещены по окружности круга, образуя диск. При наличии вирусного генома диски укладываются друг на друга, затем создается трубка с местом для генома нуклеиновой кислоты в середине. [5]
Вторая по распространенности структура среди вирусов растений — изометрические частицы. Они имеют диаметр 25–50 нм. В случаях, когда имеется только один белок оболочки, основная структура состоит из 60 субъединиц T, где T — целое число . Некоторые вирусы могут иметь 2 белка оболочки, которые объединяются, образуя частицу икосаэдрической формы.
Существует три рода Geminiviridae , которые состоят из частиц, напоминающих две изометричные частицы, склеенные вместе.
Некоторые вирусы растений имеют, в дополнение к белкам оболочки, липидную оболочку . Она образуется из мембраны растительной клетки, когда вирусная частица отпочковывается от клетки .
Вирусы могут распространяться путем прямого переноса сока при контакте раненого растения со здоровым. Такой контакт может происходить во время сельскохозяйственных работ, например, при повреждении инструментами или руками, или естественным путем, например, при поедании растения животным. Обычно TMV, вирусы картофеля и вирусы мозаики огурцов передаются через сок.
Вирусы растений должны передаваться вектором , чаще всего насекомыми, такими как цикадки . Один класс вирусов, Rhabdoviridae , был предложен как на самом деле вирусы насекомых, которые эволюционировали для репликации в растениях. Выбранный переносчик насекомых для вируса растений часто будет определяющим фактором в диапазоне хозяев этого вируса: он может заражать только растения, которыми питается переносчик насекомых. Это было частично показано, когда белая муха старого мира добралась до Соединенных Штатов, где она передала множество вирусов растений новым хозяевам. В зависимости от способа передачи вирусы растений классифицируются как неперсистентные, полуперсистентные и персистентные. При неперсистентной передаче вирусы прикрепляются к дистальному кончику стилета насекомого , и на следующем растении, которым оно питается, оно инокулирует его вирусом. [6] Полуперсистентная передача вируса включает попадание вируса в переднюю кишку насекомого. Те вирусы, которым удается пройти через кишечник в гемолимфу , а затем в слюнные железы, известны как персистентные. Существует два подкласса персистентных вирусов: пропагативные и циркуляционные. Пропагативные вирусы способны размножаться как в растении, так и в насекомом (и, возможно, изначально были вирусами насекомых), тогда как циркуляционные не могут. Циркуляционные вирусы защищены внутри тлей шаперонным белком симбионином, вырабатываемым бактериальными симбионтами . Многие вирусы растений кодируют в своем геноме полипептиды с доменами, необходимыми для передачи насекомыми. У неперсистентных и полуперсистентных вирусов эти домены находятся в белке оболочки и другом белке, известном как вспомогательный компонент. Была предложена гипотеза моста , чтобы объяснить, как эти белки помогают в передаче вируса через насекомых. Вспомогательный компонент будет связываться с определенным доменом белка оболочки, а затем с ротовыми частями насекомых, создавая мост. У персистентных вирусов-пропагаторов, таких как вирус пятнистого увядания томатов (TSWV), часто есть липидная оболочка, окружающая белки, которая не наблюдается в других классах вирусов растений. В случае TSWV в этой липидной оболочке экспрессируются 2 вирусных белка. Было высказано предположение, что вирусы связываются через эти белки и затем попадают в клетку насекомого посредством рецептор-опосредованного эндоцитоза .
Было показано, что почвенные нематоды переносят вирусы. Они приобретают и передают их, питаясь инфицированными корнями . Вирусы могут передаваться как непостоянно, так и постоянно, но нет никаких доказательств того, что вирусы способны размножаться в нематодах. Вирионы прикрепляются к стилету (органу питания) или к кишечнику, когда они питаются инфицированным растением, а затем могут отсоединяться во время последующего питания, чтобы заразить другие растения. Нематоды переносят вирусы, такие как вирус кольцевой пятнистости табака и вирус погремушки табака . [7]
Ряд родов вирусов передаются, как постоянно, так и не постоянно, почвенными зооспоровыми простейшими . Эти простейшие сами по себе не являются фитопатогенными, а паразитическими . Передача вируса происходит, когда они становятся связанными с корнями растений. Примерами являются Polymyxa graminis , который, как было показано, переносит вирусные заболевания растений в зерновых культурах [8] и Polymyxa betae , который переносит вирус некротического желтого венозного некроза свеклы . Плазмодиофориды также создают раны в корнях растений, через которые могут проникать другие вирусы.
Передача вирусов растений из поколения в поколение происходит примерно у 20% вирусов растений. Когда вирусы передаются семенами, семена заражаются в генеративных клетках, и вирус сохраняется в зародышевых клетках и иногда, но реже, в семенной оболочке. Когда рост и развитие растений задерживаются из-за таких ситуаций, как неблагоприятная погода, увеличивается количество вирусных инфекций в семенах. Похоже, что нет корреляции между расположением семени на растении и его шансами на заражение. Мало что известно о механизмах, участвующих в передаче вирусов растений через семена, хотя известно, что на это влияет окружающая среда и что передача семян происходит из-за прямого вторжения в зародыш через семяпочку или косвенным путем с атакой на зародыш, опосредованной инфицированными гаметами. Эти процессы могут происходить одновременно или раздельно в зависимости от растения-хозяина. Неизвестно, как вирус может напрямую вторгаться и пересекать зародыш и границу между родительским и потомственным поколениями в семяпочке. Многие виды растений могут быть инфицированы через семена, включая, но не ограничиваясь семействами Leguminosae , Solanaceae , Compositae , Rosaceae , Cucurbitaceae , Gramineae . Вирус обыкновенной мозаики фасоли передается через семена.
Существуют слабые доказательства того, что вирус, распространенный среди перцев, вирус мягкой крапчатости перца (PMMoV), мог перейти на заражение людей. [9] Это редкое и маловероятное событие, поскольку для проникновения в клетку и репликации вирус должен «связаться с рецептором на ее поверхности, а вирус растения вряд ли распознает рецептор на человеческой клетке. Одна из возможностей заключается в том, что вирус не заражает человеческие клетки напрямую. Вместо этого голая вирусная РНК может изменять функцию клеток посредством механизма, похожего на РНК-интерференцию , при котором присутствие определенных последовательностей РНК может включать и выключать гены», по словам вирусолога Роберта Гарри. [10]
Внутриклеточная жизнь вирусов растений в хозяевах до сих пор недостаточно изучена, особенно на самых ранних стадиях заражения . [11] Многие мембранные структуры, которые вирусы заставляют растительные клетки производить, являются подвижными, часто используются для перемещения новых вирионов внутри производящей клетки и в ее соседей. [11] Вирусы также вызывают различные изменения собственных внутриклеточных мембран растений . [11] Работа Переры и др. 2012 года по заражению вирусом комара и различных других, изучающих дрожжевые модели вирусов растений, показывает, что это происходит из-за изменений в гомеостазе липидов, которые составляют их внутриклеточные мембраны, включая увеличение синтеза . [11] Эти сопоставимые изменения липидов определяют наши ожидания и направления исследований для менее изученной области вирусов растений. [11]
75% вирусов растений имеют геномы, состоящие из одноцепочечной РНК (ssRNA). 65% вирусов растений имеют +ssRNA, что означает, что они находятся в той же смысловой ориентации, что и матричная РНК , но 10% имеют -ssRNA, что означает, что они должны быть преобразованы в +ssRNA, прежде чем они смогут быть транслированы. 5% представляют собой двухцепочечную РНК и поэтому могут быть немедленно транслированы как вирусы +ssRNA. 3% требуют фермента обратной транскриптазы для преобразования между РНК и ДНК. 17% вирусов растений представляют собой ssDNA и очень немногие представляют собой dsDNA, в отличие от этого четверть вирусов животных представляют собой dsDNA, а три четверти бактериофагов представляют собой dsDNA. [13] Вирусы используют рибосомы растений для производства 4-10 белков, кодируемых их геномом. Однако, поскольку многие белки кодируются на одной нити (то есть они полицистронные ), это будет означать, что рибосома либо произведет только один белок, поскольку она остановит трансляцию на первом стоп-кодоне , либо будет произведен полипротеин . Вирусы растений должны были развить специальные методы, чтобы позволить производить вирусные белки растительными клетками .
Для трансляции эукариотическим мРНК требуется структура 5' Cap . Это означает , что вирусы также должны ее иметь. Обычно она состоит из 7MeGpppN, где N обычно аденин или гуанин . Вирусы кодируют белок, обычно репликазу , с метилтрансферазной активностью, чтобы это сделать.
Некоторые вирусы являются кэп-снэтчерами. Во время этого процесса 7m G-cap-хозяинная мРНК рекрутируется вирусным транскриптазным комплексом и затем расщепляется вирусно-кодируемой эндонуклеазой. Полученная кэп-лидерная РНК используется для запуска транскрипции на вирусном геноме. [14]
Однако некоторые вирусы растений не используют кэп, но эффективно транслируются благодаря независимым от кэпа усилителям трансляции, присутствующим в 5'- и 3'-нетранслируемых областях вирусной мРНК. [15]
Некоторые вирусы (например, вирус табачной мозаики (TMV)) имеют последовательности РНК, которые содержат «протекающий» стоп-кодон. В TMV в 95% случаев рибосома хозяина завершает синтез полипептида на этом кодоне, но в остальное время он продолжает его. Это означает, что 5% продуцируемых белков больше и отличаются от других, которые обычно продуцируются, что является формой трансляционной регуляции . В TMV эта дополнительная последовательность полипептида представляет собой РНК-полимеразу , которая реплицирует свой геном.
Некоторые вирусы используют производство субгеномных РНК для обеспечения трансляции всех белков в своих геномах. В этом процессе первый белок, закодированный в геноме и первым транслируемый, является репликазой . Этот белок будет действовать на остальную часть генома, производя отрицательные цепи субгеномных РНК, а затем действовать на них, чтобы сформировать положительные цепи субгеномных РНК, которые по сути являются мРНК, готовыми к трансляции.
Некоторые вирусные семейства, такие как Bromoviridae, вместо этого предпочитают иметь многокомпонентные геномы, геномы, разделенные между несколькими вирусными частицами. Для того, чтобы произошло заражение, растение должно быть инфицировано всеми частицами по всему геному. Например, у вируса мозаики Brome геном разделен между 3 вирусными частицами, и для того, чтобы произошло заражение , требуются все 3 частицы с разными РНК .
Полипротеиновая обработка принята 45% вирусов растений, таких как Potyviridae и Tymoviridae . [12] Рибосома транслирует один белок из вирусного генома. Внутри полипротеина находится фермент (или ферменты) с функцией протеиназы , который способен расщеплять полипротеин на различные отдельные белки или просто расщеплять протеазу, которая затем может расщеплять другие полипептиды, производя зрелые белки.
Помимо участия в процессе инфекции, вирусная репликаза является непосредственно необходимой частью упаковки генетического материала РНК-вирусов . Это ожидалось из-за того, что участие репликазы уже было подтверждено в различных других вирусах. [16]
Вирусы растений могут быть использованы для разработки вирусных векторов , инструментов, обычно используемых молекулярными биологами для доставки генетического материала в растительные клетки ; они также являются источниками биоматериалов и нанотехнологических устройств. [17] [18] Знание вирусов растений и их компонентов сыграло важную роль в развитии современной биотехнологии растений. Использование вирусов растений для улучшения красоты декоративных растений можно считать первым зарегистрированным применением вирусов растений. Вирус разрушения тюльпанов известен своим драматическим воздействием на цвет околоцветника тюльпана , эффектом, который был высоко востребован во время голландской « тюльпаномании » 17-го века. Вирус табачной мозаики (TMV) и вирус мозаики цветной капусты (CaMV) часто используются в молекулярной биологии растений. Особый интерес представляет промотор CaMV 35S , который является очень сильным промотором, наиболее часто используемым в трансформациях растений . Вирусные векторы на основе вируса табачной мозаики включают векторы технологий экспрессии растений magnICON® и TRBO. [18]
На основе одобрения рынка и продаж биофармацевтических препаратов на основе рекомбинантных вирусов для ветеринарии и медицины человека было предложено использовать модифицированные вирусы растений для повышения урожайности сельскохозяйственных культур и содействия устойчивому производству. [19]
Ниже перечислены примеры применения вирусов растений.
