Что поражает вирус растительной клетки табачной мозаики поражает

Обновлено: 24.04.2024

Вирус табачной мозаики — возбудитель мозаичной болезни, поражающей растения. Инфекция распространяется через необработанный инвентарь для обрезки кустов и пикировки корней, а также через огородных вредителей. Заболевшие растения отстают в росте и развитии, уменьшают отдачу урожая в несколько раз, а при сильном поражении погибают.

Симптомы болезни

Попавшие в здоровые клетки растений вирусы разрушают хлорофилл — зеленый пигмент, отвечающий за фотосинтез. В результате пораженные области листьев блекнут, окрашиваются в бежевый или изумрудный цвет. Чередование здоровых и больных участков придает листу мраморную окраску, которую называют "мозаичной".

Здоровые клетки растения начинают активно делиться, чтобы в куст продолжали поступать питательные вещества. От этого листья будто вздуваются крупными бугорками. В дальнейшем это приводит к истончению кожицы, которая перестает справляться с защитными функциями. Тогда через нее проникают бактерии, а влага легко испаряется. Лист высыхает.

Какие растения подвержены табачной мозаике больше всего

Вирус табачной мозаики опасен более чем для 350 видов растений. Но чаще всего он поселяется в клетках представителей пасленовых. К ним относят:

томаты;
перцы;
картофель;
баклажаны.

Нередко мозаичная болезнь поражает плети огурцов.

Методы лечения

Противовирусных препаратов для растений еще не разработано, поэтому избавиться от вируса навсегда не получится. Но можно предотвратить распространение инфекции. Для этого:

обрывают больные листья;
выкапывают куст, если после обрывания листьев симптомы инфекции появились снова (чтобы не заразить соседние растения);
обрабатывают стебли и листья раствором молока (1 литр на 10 литров воды) с добавлением 10 капель йода.

Вирус в почве живет до 5 лет. Поэтому самый эффективный способ избежать заражения растений — соблюдать правила севооборота. Огурцы и овощи семейства пасленовых можно высаживать на то же место не ранее, чем через 3 года. Оптимально — через 5–6 лет.

Профилактика

Проще не допустить появления вируса на участке, чем бороться с уже существующей болезнью. Для этого:

собирайте семена только со здоровых растений;
перед высеиванием обрабатывайте семена в темном растворе марганцовки;
сажайте рассаду в горшочки с прокаленным грунтом;
опрыскивайте рассаду за 10 дней до высадки в грунт и через 2 недели после него борной кислотой (1%);
осенью после уборки урожая сразу сжигайте ботву;
каждый год меняйте в теплице верхний слой грунта (толщиной 10 см).

Еще один способ избежать заражения — это своевременно уничтожать переносчиков вируса. Ими могут быть как огородные вредители (паутинный клещ, колорадский жук, белокрылка и тля), так и сорняки (осот и люцерна).

СОДЕРЖАНИЕ

Схематическая модель TMV: 1. нуклеиновая кислота ( РНК ), 2. капсомерный белок ( протомер ), 3. капсид.

Вирус табачной мозаики имеет палочковидный вид. Его капсид состоит из 2130 молекул белка оболочки и одной молекулы геномной однонитевой РНК, длиной 6400 оснований. Белок оболочки самособирается в стержнеобразную спиральную структуру (16,3 белка на виток спирали) вокруг РНК, которая образует структуру петли шпильки (см. Электронную микрофотографию выше). Белковый мономер состоит из 158 аминокислот, которые собраны в четыре основных альфа-спирали, которые соединены заметной петлей, проксимальной к оси вириона. Вирионы имеют длину ~ 300 нм и диаметр ~ 18 нм. [12] На отрицательно окрашенных электронных микрофотографиях виден отчетливый внутренний канал радиусом ~ 2 нм. РНК расположена в радиусе ~ 4 нм и защищена от действия клеточных ферментов белком оболочки. [13] Рентгеновская волокнистая структура интактного вируса была изучена на основе карты электронной плотности с разрешением 3,6 Å. [14] Внутри спирали капсида, рядом с ядром, находится скрученная молекула РНК, состоящая из 6,395 ± 10 нуклеотидов. [15] [16]

Генома ВТМ состоит из 6,3-6,5 т.п.н. одноцепочечной (сс) РНК . 3'-конец имеет структуру, подобную тРНК , а 5'-конец имеет метилированный нуклеотидный кэп. (m7G5'pppG). [17] Геном кодирует 4 открытые рамки считывания (ORF), две из которых продуцируют один белок из-за рибосомного считывания протекающего стоп-кодона UAG . Эти 4 гена кодируют репликазу (с доменами метилтрансферазы [MT] и РНК-геликазы [Hel]), РНК-зависимую РНК-полимеразу , так называемый белок движения (MP) и белок капсида (CP). [18]

TMV - термостабильный вирус. На высушенном листе он может выдерживать температуру до 50 ° C (120 градусов по Фаренгейту) в течение 30 минут. [19]

ВТМ не имеет отчетливой структуры перезимовки . Скорее, он будет перезимовать в зараженных стеблях и листьях табака в почве на поверхности зараженных семян (TMV может выжить даже в зараженных табачных изделиях в течение многих лет, поэтому курильщики могут случайно передать его при прикосновении, но не в дыму. сам). [21] [22] При прямом контакте с растениями-хозяевами через его векторы (обычно это насекомые, такие как тля и цикадка ), TMV проходит через процесс заражения, а затем через процесс репликации.

После своего размножения через плазмодесмы проникает в соседние клетки . Инфекция распространяется при прямом контакте с соседними клетками. Для беспрепятственного проникновения TMV производит белок движения 30 кДа, называемый P30, который увеличивает плазмодесмы. TMV, скорее всего, перемещается от клетки к клетке в виде комплекса РНК, P30 и реплицируемых белков.

Он также может распространяться через флоэму, перемещаясь по растению на большие расстояния. Более того, TMV может передаваться от одного растения к другому при прямом контакте. Хотя TMV не имеет определенных векторов передачи, вирус может легко передаваться от инфицированных хозяев к здоровым растениям при контакте с людьми.

После проникновения в организм хозяина посредством механической инокуляции TMV расщепляется, чтобы высвободить цепь вирусной [+] РНК. Когда происходит снятие покрытия, ген MetHel: Pol транслируется с образованием кэпирующего фермента MetHel и РНК-полимеразы. Затем вирусный геном будет далее реплицироваться с образованием множества мРНК через промежуточный [-] РНК, примированный тРНК _HIS на [+] РНК 3 'конце. Полученные мРНК кодируют несколько белков, включая белок оболочки и РНК-зависимую РНК-полимеразу (RdRp), а также белок движения. Таким образом, TMV может реплицировать собственный геном.

TMV известен как один из самых стабильных вирусов. У него очень широкий диапазон выживания. Пока окружающая температура остается ниже примерно 40 градусов по Цельсию , TMV может поддерживать свою стабильную форму. Все, что ему нужно, это хозяин, чтобы заразить. В случае необходимости теплицы и ботанические сады обеспечат наиболее благоприятные условия для распространения TMV из-за высокой плотности населения возможных хозяев и постоянной температуры в течение всего года.

Одним из распространенных методов борьбы с TMV является санитария , которая включает удаление инфицированных растений и мытье рук между посадками. Следует также использовать севооборот , чтобы избежать заражения почвы / семенных гряд в течение как минимум двух лет. Что касается любого заболевания растений, можно также посоветовать поиск устойчивых штаммов против TMV. Кроме того, может применяться метод перекрестной защиты, когда более сильный штамм инфекции TMV ингибируется путем инфицирования растения-хозяина мягким штаммом TMV, аналогично эффекту вакцины .

За последние десять лет было разработано применение генной инженерии к геному растения-хозяина, чтобы позволить растению-хозяину продуцировать белок оболочки TMV в своих клетках. Было высказано предположение, что геном TMV будет быстро повторно покрыт при попадании в клетку-хозяин, таким образом, он предотвращает инициацию репликации TMV. Позже было обнаружено, что механизм, который защищает хозяина от встраивания вирусного генома, заключается в подавлении генов . [27]

TMV ингибируется продуктом миксомицетной слизистой плесени Physarum polycephalum . Как табак, так и бобы P. vulgaris и V. sinensis почти не страдали in vitro от TMV при обработке экстрактом P. polycephalum . [26]

Большое количество литературы о ВТМ и его выборе для многих новаторских исследований в области структурной биологии (включая дифракцию рентгеновских лучей ), сборки и разборки вирусов и т. Д. В основном обусловлены большими количествами, которые могут быть получены, а также тем фактом, что он не заражает животных. После выращивания нескольких сотен зараженных растений табака в теплице и выполнения нескольких простых лабораторных процедур ученый может произвести несколько граммов вируса. [28]

Вирусы растений можно использовать для создания вирусных векторов , инструментов, обычно используемых молекулярными биологами для доставки генетического материала в клетки растений ; они также являются источниками биоматериалов и нанотехнологических устройств. [30] [31] Вирусные векторы на основе TMV включают векторы технологий экспрессии растений magnICON® и TRBO. [31] [32] Благодаря своей цилиндрической форме, высокому соотношению сторон, самосборной природе и способности включать в свою оболочку металлические покрытия ( никель и кобальт ), TMV является идеальным кандидатом для встраивания в электроды батареи . [33] Добавление TMV к электроду батареи увеличивает реактивную площадь поверхности на порядок, что приводит к увеличению емкости батареи до шести раз по сравнению с плоской геометрией электрода. [33] [34]

Структура вируса табачной мозаики

Вирус поражал культурные растения, хотя начал он это делать явно раньше, чем те стали таковыми. Но тут у его жертв появился новый защитник — человек. За тысячелетия Homo напал на его след, но остановился в недоумении, не видя того, кто этот след оставляет. Нетрудно быть незаметным, имея 300 нанометров в длину!

Майер пропускал сок через фильтровальную бумагу, капал им на чашки, чтобы выделить и вырастить патогенные бактерии, но все было тщетно. Частицы были так малы, что удержать легко ускользающего сквозь поры бумаги виновника было практически невозможно — разве что белок мог быть так мал. Разочарованный, он решил, что белок не может размножаться сам, и не смог найти настоящее объяснение.

Адольф Майер (фотография 1875 года)

В конце XIX века поисками занялся русский ученый Дмитрий Ивановский. Он подошел к делу обстоятельнее, приготовив фарфоровые фильтры, которые использовались для выделения бактерий. Ничто крупнее бактерии не могло просочиться сквозь такие поры. Но и они не могли задержать вирус табачной мозаики. Много раз перепроверив фильтр и не найдя там ни трещин, ни другого брака, Ивановский понял, что частицы слишком малы. Он предположил, что это могла быть очень маленькая бактерия, которая почему-то не хочет культивироваться в лаборатории.

Вирус табачной мозаики

В 1935 году вирус табачной мозаики кристаллизовал Уэнделл Стенли. Но вирус продолжал заражать листья табака и после этого, как ни в чем не бывало. Накапливались подтверждения, что ни одна известная бактерия так себя не ведет. Стенли увидел, что объект, вызывающий заражение, состоит почти полностью из белка, и решил, что перед ним фермент, который катализирует собственное размножение. За первую кристаллизацию вируса он получил Нобелевскую премию по химии в 1946 году.

В 1939 году вирус табачной мозаики впервые удалось увидеть в электронный микроскоп, изобретенный восемью годами ранее. Так виновник неурожайности табака потихоньку раскрыл свою личность, но не все его секреты так легко поддались ученым.

Строение вируса смогли разгадать только позже, с помощью кристаллографии. А поскольку одним из самых талантливых кристаллографов середины XX века была Розалинда Франклин, благодаря данным которой Уотсон и Крик смогли понять структуру ДНК, вирусу табачной мозаики повезло, что она решила связать с ним годы изысканий. Она предсказала его внутреннюю пустоту, а позже поняла и то, что его РНК была одноцепочечной.

Параллельно с ней работала и другая группа: Ханс Френкель-Конрат и Робли Уильямс из Беркли. В том же 1955 году они смогли показать, что в вирусе ничего нет, кроме РНК и белка. Они вплотную подошли к пониманию того, как вирусы размножаются, превращая клетку в фабрику своих деталей, которые сами собираются воедино. В 1960 году Френкель-Конрат и Уильямс секвенировали состояющую из 158 аминокислот последовательность вируса — самую длинную из известных на тот момент.

Так небольшой вирус, случайно найденный в соке растений, стал удобным объектом для изучения и обрел всемирную славу, превратившись в ключ к пониманию размножения и структуры всего своего царства. Для этого, как оказалось, не нужно быть выдающимся и сложным — ему достаточно было быть доступным для получения и вызывать большие проблемы у культивирующих табак агрономов, чтобы привлечь их внимание.

ВТМ является простым вирусом, неоднократно находивший применение в микробиологических исследованиях. Он давно знаком науке и хорошо освоен.Обнаружение вируса табачной мозаики привело к появлению вирусологии. В 1892 году началось исследование растений, заражённых ВТМ. С помощью предварительно обработанного сока больных органов растений российский биолог Д.И. Ивановский инфицировал здоровые растения. И они были подвержены действию какого-то микробиологического объекта, оказавшегося в разы меньше, известных на тот момент, бактерий.

Вирус имеет палочковидную форму вирионов, относится к группе тобамовирусы. Термостабилен, точка термической инактивации 95°С, чрезвычайно устойчив во внешней среде.

При ВТМ на листьях и плодах обнаруживаются пятна, вследствие чего первые приобретают мозаичный вид, отчего и происходит это название. В зараженных местах кожица истончается и становится легко проницаемой.

Начатый как выявление бактерий, поражающих культурные растения, и завершившийся открытием нового типа болезнетворного агента, этот эксперимент оказался важным не только для сельского хозяйства (изучение поражения патогеном семейства Пасленовых), но и для фундаментальной науки (действие вирусов на человека и животных).

До открытия структуры вируса было неясно, как именно он живёт и размножается. После того, как стало известно, что данный патоген состоит из белков и нуклеиновой кислоты (у некоторых так же есть липидная мембрана), стало понятно, что он не способен сам синтезировать белок, и вне клетки подобен конгломерату макромолекул. Тем не менее, попав в клетку, он начинает воспроизводить себе подобных.

Очередной подъем фитовирусологии произошел с открытием роли нуклеиновых кислот и генетического кода в реализации генетической информации организма. Для понятия схемы трансляции РНК вирусы оказались самым наглядным видом модели. Исследования, проводимые молекулярными клеточными биологами, привели к понятию механизма продуцирования клетками белковгй наукибъекта меньшего размер.

В данный момент заинтересованность в вирусных заболеваниях растений заметно спала. Но вместе с тем возросло их практическое значение в биотехнологии, для производства фармацевтической продукции, получения моноклональных антител. В последние годы публикуются проекты, где вирусы растений, сшитые с ионами металлов, используются для производства нанопроводников.

Капсид вируса выглядит как спираль, сформированная 130 витками. Она составлена из 2130 мономеров, содержащих по 158 аминокислотных остатков. Генетическим материалом ВТМ является одноцепочечная РНК. Последняя заключена в белковый капсид, представленный 2130 идентичными полипептидными субъединицами. В 1955 г. в исследовании с "переодеванием" было доказано, что не только ДНК может осуществлять функцию носителя генетического материала. Френкель-Конрад взял два штамма патогена, отличающихся между собой по обширности и виду поражения листьев табака. Обособив белковый капсид от рибонуклеиновой кислоты, он реконструировал болезнетворный агент так, чтобы РНК из одного штамма покрывалась белковым чехлом другого. Это доказало, что болезнь, отраженная на листьях, не определялась штаммом белка, а зависела от наследственного материала. Копирование рибонуклеиновой кислоты ВТМ происходит посредством РНК-зависимой РНК-полимеразы , закодированной в геноме данного вида патогена. В начале этот фермент достраивает цепь по принципу комплементарности (минус-цепь), не кодируещей белки в отличие от плюс-цепи, а затем по ней, синтезирует огромное количество болезнетворных РНК.

ВТМ поражает клетки хлоропластов, соответственно разрушается хлорофилл, что дает сбой при фотосинтезе, нарушает дыхание и другие процессы, необходимые для нормальной жизнедеятельности растения. Вирус табачной мозаики передается через семена, с соком больных растений во время пикировки рассады, при пасынковании, соприкосновении больных и здоровых растений и легком взаимном травмированных, напр. при ветре. Переносчиками данного патогена считаются - тли, клопы, клещи, почвенные нематоды. Мозаика проникает через повреждённые части растения.

Сочетание вируса табачной мозаики с другими вирусами (Х, Y-вирус картофеля, вирус огуречной мозаики) вызывает сложный стрик и появление на плодах, листьях, стеблях и черешках участков буро-коричневых штрихов, широких и узких полос, которые со временем отмирают.

Таким образом можно сделать вывод о том, что ВТМ сыграл важную роль не только в открытии нового патогена и такого направления современной науки как вирусология, но и в дальнейшем исследовании поведения болезнетворных агентов, их размножении, а также помог разобраться в механизме образования белка в клетке. Его изучение, особенно современными методами, актуально и по сей день.

Читайте также: