Фитовирусы (вирусы и вироиды)

Фитовирусы (вирусы, поражающие растения) широко распространены в природе. 

В разных регионах Земли они поражают самые разнообразные виды растений: дикорастущие и возделываемые, одно- и много­летние, овощные и плодовые культуры, травянистые, кустарни­ки и деревья. Больше всего фитопатогенных вирусов выделено из цветковых растений; из папоротников и голосеменных - в редких (единичных) случаях. 

Размножаясь, фитопатогенные вирусы вызывают закукливание, цветовую пёстролистность, мозаику, скручивание, бугристость и другие деформации листьев; локальный и диффузный их некроз; обезображивание плодов; задержку роста растений.

Строение, биологические особенности развития и функциональные способности вирусов позволяют выделять их в обособленную группу органоидов. Специфический тип организации и строения вирусов не имеет аналогов среди клеточных организмов. По своему химическому составу, как нуклеопротеиды, и размерам они ближе всего напоминают рибосомы, но отличаются от последних по строению и функциям. Не имея собственной белоксинтезирующей системы и ферментов энергетического обмена, вирусы с помощью собственной НК (они содержат только один её тип – РНК или ДНК) индуцируют синтез своих структурных белков, используя каталитическую систему рибосом хозяина.  

Популяция вируса одного вида, так же как и его потомство, гетерогенно и состоит из собрания разных по массе молекул, проявляя тем самым характерную для биологических объектов вариабельность. Молекулы вирусной нуклеиновой кислоты в растворе не имеют фиксированной конфигурации. 

Каждый возбудитель имеет строго постоянную форму и строение «зрелой» частицы. Вирусы паразитируют в клетках, используя их каталитическую и энергетическую системы. Они способны индуцировать синтез ферментов, способствующих их репродукции. Цикл репродукции вирусов в клетках растения-хозяина при участии его ферментов завершается образованием зрелых инфекционных частиц - вирионов. Считается, что их форма определяется строением белковой оболочки, которая состоит из отдельных белковых молекул. Эти структурные вирусные белки выполняют также защитную функцию, изолируя геном от различных воздействий факторов внешней среды. Зрелые частицы приспособлены для сохранения вне клетки и для проникновения в новые ткани, организмы.

Лучше всего изучены вирусы экономически важных культур. Среди них выделяют две группы фитопатогенных вирусов: обычные классифицированные вирусы и вироиды (греч.- eides - "подобные"), или вирусоподобные агенты. Подавляющее большинство классифицированных вирусов растений - РНК-вирусы семейств рабдо- и реовирусов. 

Исклю­чение составляют изометрические вирусы (50 нм) мозаики цвет­ной капусты и мозаики георгины, содержащие обычную двухцепочечную ДНК и дефектные сателлиты вируса некроза табака и кольцевой пятнистости табака с неполноценным геномом, реп­ликация и созревание которых происходят только в присутствии родительского вируса-помощника.

Группа РНК-вирусов с полноценным геномом насчитывает около сотни видов. Большинство из них вирионы с одноцепочечной линейной цельной РНК. По морфологии их под­разделяют на три подгруппы: 

а) бациллярные / бацилловидные (около 10 видов), отличающиеся таким же поперечником, как и у рабдовируса жёлтой карликовости картофеля, имеющего размеры 380 х 75 нм; 

б) палочковидные (более 30 видов), поперечник которых не пре­вышает 18 нм, а длина варьирует от 300 нм, как у вируса табач­ной мозаики (ВТМ) и близких ему вирусов зелёной крапчатости мозаики огурца, кольцевой пятнистой орхидеи, мозаики подо­рожника и гороха, до 1250 нм, как у вирусов жёлтой свёклы и пятнистого некроза гвоздики; 

в) изометрические / сферические (более 30 ви­дов), в диаметре не превышающие 30 нм, типичными предста­вителями которых являются вирусы мозаики костра, крапчато­сти коровьего гороха, мозаики огурца, некротической кольцевой пятнистости сливы, кольцевой пятнистости табака, желтухи яч­меня, кустистой карликовости томата, жёлтой мозаики турнепса.

К вирусам с двухцепочечной сегментированной РНК относят вирус раневой опухоли, геном которого состоит из 11 фрагментов, сходные с ним вирусы карликовости кукурузы и риса, сахарного тростника островов Фиджи и измельчённости початков кукурузы.

Форма и размеры некоторых фитовирусов:

Возбудители	Форма  вириона	Размер, нм
Вирус мозаики  табака	Палочковидная	300 х 18
Вирус огуречной мозаики - 2	Палочковидная	300 х 15
Вирус метельчатости верхушки картофеля	Палочковидная	300 х 17
Вирус раннего побурения гороха	Палочковидная	215 х 25
У-вирус картофеля	Нитевидная	740 х 11
Вирус мозаики   сои	Нитевидная	748 х 15
Вирус желтухи  свёклы	Нитевидная	1250 х 10
Вирус мозаики  салата	Нитевидная	747 х 15
Вирус мозаики  костра	Изометрическая	28
Вирус некроза  табака	Изометрическая	26
Вирус бронзовости томатов	Изометрическая	80
Вирус штриховатости риса	Изометрическая	29
Вирус мозаики  люцерны	Бацилловидная	58 х 18, 52 х 18, 42 х 18
Вирус деформации побегов какао	Бацилловидная	130 х 28

Классификация вирусов растений не поднялась пока выше создания родов. Кроме вирусов растений, вошедших в семейство Reoviridae (роды Phytoreovirus и Fijivirus), и рабдовирусов растений, насчитывается свыше 20 групп (родов) вирусов, поражающих высшие растения. 

Отли­чительной особенностью многих вирусов растений является раз­общённый геном, фрагменты которого находятся в различных вирионах. Для репликации таких ви­русов необходимо, чтобы в клетке присутствовали вирионы, несу­щие в сумме полный набор генома.

Фитовирусы, содержащие геномные РНК: 

Carlavirus - группа вируса латентной мозаики гвоздики,

Comovirus - группа вируса мозаики коровьего гороха, 

Cucumovirus - группа вируса огуречной мозаики, 

Nepovirus - группа вируса кольцевой пятнистости табака, 

Potexvirus - группа ХВК (вирус Х картофеля), 

Tobamovirus - группа вируса табачной мозаики, 

Tobravirus - группа вируса погремковости табака, 

Tombusvirus - группа вируса кустистой карликовости томатов, 

Tymovirus - группа вирусов жёлтой мозаики турнепса, 

Closterovirus - группа вируса желтухи свёклы, 

Hordeivirus - группа вируса штриховатой мозаики ячменя, 

Luteovirus - группа вируса жёлтой карликовости ячменя, 

Ilarvirus - группа изометрических лабильных вирусов концевых пятнистостей.

Фитовирусы, содержащие ДНК:

Caulimovirus - группа вируса мозаики цветной капусты.

В отличие от клеток живых организмов, они содержат, как указывалось, в своем составе не две формы НК, а лишь одну-либо РНК, либо ДНК. Соответственно у вирусов роль хранителя генетической информации в равной степени могут выполнять РНК и ДНК, тогда как у клеточных организмов первая выполняет функции её переноса, а вторая - хранения наследственной информации. Вирусные НК выполняют три функции - репликации, транскрипции и трансляции. Репликативные функции обеспечиваются однотяжной (+) цепью РНК, обладающей инфекционностью. После попадания её в ткани растения с помощью его фермента РНК-полимеразы (репликаза) строится комплементарная + цепи вируса - цепь РНК, которая, в свою очередь, служит матрицей для синтеза новых молекул + цепей РНК вируса. Последняя фактически функционирует как mРНК, участвуя в синтезе вирусных белков при использовании рибосом клеток растения-хозяина.

Подавляющее большинство вирусов содержат в своём составе белок, НК и ионы металла, и только небольшая группа, кроме того, липиды и углеводы.

Белки вирусов относятся к типу высших белков - глобулинов.  

Нуклеиновые кислоты вирусов растений, преимущественно рибозного типа, содержат 4 азотистых основания, углеводный компонент и фосфатные группы. РНК и ДНК различаются по составу углеводов и отдельных пиримидиновых оснований. Пуриновые основания (аденин и гуанин) входят в молекулы обоих нуклеиновых кислот. Обе они содержат и цитозин. Кроме того, в состав РНК входит урацил и молекула углевода - рибоза, а в ДНК - тимин и молекула дезоксирибозы. РНК представлена цепью нуклеотидов (нуклеотид = нуклеозид + фосфат, где нуклеозид = основание: аденин, гуанин, цитозин или урацил + углевод). В составе РНК ВТМ обнаружено также железо.

В структуре всех вирусов присутствуют ионы металлов (К, Na, Ca, Mg, Mn, Cu), часто в значительных количествах. Их содержание может достигать нескольких миллиграммов на грамм вирусной массы.

Вирусы - биологические мутагены, т. е. факторы изменения генетической информации других организмов, вызывающие разрывы хромосом, порядок расположения генов, изменения их структуры.

Фитовирусы вызывают у растений различные заболевания. Болезни, вызываемые фитовирусами уносят до половины урожая, растения при этом не гибнут, но плодовитость их резко снижается.

Самый эффективный метод борьбы с фитовирусами -  получение безвирусных растений (верхушки молодых побегов свободны от вирусов, они заражаются уже потом; у растения срезают верхушку побега и выращивают её в пробирке в стерильной питательной среде, а когда сформируются корни и листья, пересаживают в грунт; такое растение становится родоначальником безвирусного сорта).

 

Вироиды:  

Возбудители этого класса патогенов были открыты в 1967 году T. Diener и W. Raymer, экспериментально доказавшими, что причиной заболевания картофеля веретеновидностью клубней является низкомолекулярная РНК. Вироиды представляют собой наиболее примитивную форму патогенов, наименьшую из известных по размерам и не способных самостоятельно кодировать синтез специфических белков. Их сравнительно небольшая молекула состоит из односпиральной, ковалентно замкнутой структуры с участками из двуспиральных сегментов. Вироидная РНК реплицируется автономно за счёт биосинтетических механизмов хозяина. По определению Diener, “вироиды могут рассматриваться как примитивные агенты, которые не достигли ни генетической сложности, чтобы индуцировать в восприимчивых хозяевах новый биосинтетический механизм для собственной репликации, ни способности кодировать специфичный белок оболочки”. 

Следует отметить, что ещё до открытия вироидов, для вирусов была известна способность существовать в виде свободной РНК внутри клетки, которая рассматривалась в качестве сателлитной формы. Более того, считалось, что их белковая оболочка играет защитную роль для НК, предохраняя последнюю от разрушающего действия нуклеаз. К тому же, как показали эксперименты, вироидная РНК, обладает высокой стабильностью к химическим и физическим факторам.

Число обнаруживаемых заболеваний на растениях, вызываемых вироидами, постоянно расширяется. Если в 1987 году их насчитывалось 13, то в настоящее время выявлено около 30 возбудителей этой группы, причём только на плодовых культурах - 8. 

Вредоносность вироидов достаточно ощутима. Например, на Филиппинах только от заболевания на пальмах “каданг-каданг” потери достигают 16,6 млн долларов в год. Таким образом, вироиды относятся к экономически значимым патогенам растений, которые при интенсификации использования биоресурсов, проявляют тенденцию к распространению. 

Борьба с ними в основном сводится к проведению профилактических и фитосанитарных мероприятий, ограничивающих их вредоносность и продвижение в новые регионы, в первую очередь, путём использования устойчивых сортов и оздоровленного посадочного и посевного материала.

 

Некоторые вироиды:

 

ВВКК - вироид веретеновидности клубней картофеля, ВЭЦ - вироид экзокортиса цитрусовых,
ВКХ - вироид карликовсти хризантем,
ВКХМ - вироид карликовости хмеля,
ВСОА - вироид солнечного ожога авокадо,
ВКЛ - вироид карликовости лопуха. 

При изучении морфологических свойств вироидов обнаруживаются 2 формы структур - линейные (37-50 нм) и кольцевые (до 100 нм), обладающие инфекционностью. Линейных молекул в препаратах содержится значительно больше (до 70%). В присутствиии ионов Mg⁺⁺ кольцевые структуры способны превращаться в линейные.

В настоящее время у большинства известных вироидов определена нуклеотидная последовательность, в том числе и у отдельных их штаммов.

У разных возбудителей число нуклеотидов в молекуле колеблется от 246 до 371. Анализ их состава, наряду с различиями, выявил высокую степень гомологичности (69-83%) в строении некоторых возбудителей, что позволяет дать предварительную оценку систематического положения вироидов.

Механизмы репликации вироидов в настоящее время ещё окончательно не выяснены. Наиболее вероятным является то, что репликация происходит в ядре клетки с кольцевых вироидных РНК - матриц при участии фермента репликазы растения-хозяина. С образующихся минус-цепей комплементарных РНК копируются плюс-цепи, которые после их разрезания и кольцевания формируют молекулы вироидной РНК. Именно последняя, как показано экспериментально, ответственна за возникновение патологического процесса de novo вне связи со специфическими белками. 

Заболевание у растений при вироидной инфекции может протекать латентно и с проявлением визуальных признаков. Оно сопровождается анатомическими изменениями паренхимных клеток и проводящих тканей, разрушением их клеточных стенок и мембран, что приводит к нарушению ритмичности работы устьиц, фракционного состава воды в листьях, замедлению оттока ассимилянтов. 

К основным типам симптомов относятся: карликовость, деформация и эпинастия, что, вероятно, обусловлено нарушениями метаболизма и баланса ростовых веществ. 

Так, показано, что при поражениях ВЭЦ в растениях индуцируется синтез ауксиноподобных веществ, снижается уровень содержания в тканях эндогенных гиббереллинов. Одновременно измененяется уровень других гормонов - абсцизовой и индолил-уксусной кислот. 

По вопросу о происхождении вироидов существует несколько гипотез: результат трансформации их из низкомолекулярных ядерных РНК в результате мутации с приобретением инфекционных свойств; продукт деградации вирусов или преобразований их РНК; видоизменённый геном растения-хозяина, и, наконец, следствие инфицирования высших растений прокариотами. 

В частности, для некоторых из них имеются косвенные подтверждения. Например, известно, что при фракционировании в акриламидном геле препаратов отдельных вирусов выделяются вирусоподобные РНК_s сходные с вироидами.

Круг растений, поражаемых вироидами, постоянно расширяется. Так, среди восприимчивых к вироиду веретеновидности клубней картофеля, кроме Паслёновых, обнаружено более 100 видов; вироид экзокортиса цитрусовых способен инфицировать 14 видов цитрусовых культур, 2 - Сложноцветных и 20 видов Паслёновых. 

Их распространение от растения к растению происходит механически с соком, вегетативно при прививках, с помощью повилик, через семена, пыльцу, тлями.