Фитопатогенные вирусы и вироиды

Обновлено: 25.04.2024

Найти в природе растение без посторонней микробиоты невозможно. Многие здоровые растения содержат возбудителей болезни в латентной форме. Несмотря на этот неопровержимый факт, подавляющее большинство растений здоровы, то есть все основные биохимические и биофизические процессы проходят в определенных, среднестатистических рамках. Под влиянием возбудителя заболевания или неблагоприятных абиотических факторов окружающей среды наблюдается нарушения нормального развития – болезнь растения.

Систематические категории возбудителей болезни растений

Возбудителями болезни растений являются различные микроорганизмы:

Вирусы – неклеточные субмикроскопические организмы. Состоят из нуклеиновой кислоты, покрытой белковой оболочкой. Ведут паразитический образ жизни внутри живых клеток.

Вироиды – вирусоподобные фитопатогены, состоящие из одной циклической молекулы РНК, способной реплицироваться в растении.

Бактерии– одноклеточные безъядерные организмы (прокариоты). Нуклеотид бактериальной клетки состоит из кольцевой ДНК. Нуклеотид не отделен от цитоплазмы мембраной и имеет вид небольших зерен.

Фитоплазмы – специфическая группа организмов, занимает промежуточное положение между бактериями и вирусами.

Грибы и грибоподобные организмы – отдельная группа организмов, отличающаяся от растений и животных типом питания. В отличие от растений, они не являются автотрофами и утилизируют только запасенную в органических соединениях энергию. В отличие от животных грибы – осмотрофы. Питаются всасыванием вещества из окружающей среды.

Свойства фитопатогена

Патогенность

Патогенность – специфическая способность микроорганизма вызывать заболевание.

Агрессивность

Агрессивность – количественный признак патогенности, отражающий способность патогенна к размножению в тканях растений, на которых патоген паразитирует. Агрессивность изменяется в широком диапазоне в зависимости от условий окружающей среды. Агрессивность оценивается в зависимости:

от длины инкубационного периода –быстроты появления симптомов;
скорости распространения патологического процесса по тканям растений;
числа инфекционных единиц, способных вызывать заражение;
от интенсивности спороношения (у грибов).

Вирулентность

Вирулентность – качественный признак патогенности, ее можно определить, как способность фитопатогена вызывать заболевания у определенных видов и сортов растения-хозяина.

Установлено существование специализированных рас патогенов, которые вирулентны для одних сортов и невирулентны (авирулентны) для других.

Специализированные формы распадаются на физиологические расы, а последние в свою очередь – на биотипы, отличающиеся по патогенности от основной расы.

На одном и том же сорте различные расы ведут себя по-разному: одна устанавливает взаимоотношения с клетками растения, получает от него питательные вещества, другая вызывает в клетках защитную реакцию сверхчувствительности, в результате которой наблюдается гибель и клетки, и патогена.

Состав рас патогена отличается в различных регионах и определяется культивируемыми в данной местности сортами растения-хозяина.

Например, возбудитель стеблевой (линейной) ржавчины зерновых, базидиальный гриб из Порядка Ржавчинные – Puccinia graminis, имеет более 300 рас. Внутри расы могут подразделяться на биотипы, отличающиеся по патогенности от основной расы. В США у расы 15 Puccinia graminis были выявлен биотип 15А, образующий более мелкие пустулы и 15В с более высокой вирулентностью на дополнительном сорте-дифференциаторе.

Физиологические расы обозначаются цифрами, биотипы – буквой, стоящей после цифрового обозначения расы.

Формировать физиологические расы и биотипы способны патогены, относящиеся к различным систематическим категориям фитопатогенов. Физиологические расы и биотипы установлены у слизевиков, грибов, цветковых паразитов. Вирусы и бактерии формируют аналогичные расам группы – штаммы.

Специализация фитопатогенов

Специализация фитопатогенов – приуроченность к определенному питающему субстрату, способность паразитировать на одном или нескольких растениях-хозяевах.

Различают несколько видов специализации:

филогенетическая – проявляется в приспособленности паразитировать на близкородственной группе растений-хозяев;
онтогенетическая (возрастная) – связана с приуроченностью патогенов к определенному этапу развития растения или отдельных органов;
гистотропная – способность поражать определенные ткани растений;
органотропная – способность поражать определенные органы растений.

Фитопатоген может обладать всеми типами специализации либо одним или несколькими. Наиболее важны филогенетическая и онтогенетическая специализации.

Филогенетическая специализация

Филогенетическая специализация – способность патогенного вида к поражению одного или многих видов растений-хозяев. По данной характеристике патогены делят на полифагов и монофагов:

монофаги – узкоспециализированные патогены, делятся на паразитирующих на одном роде или только на одном виде растений;
полифаги – широкоспециализированные патогены, делятся на паразитирующих, на растениях одного семейства и поражающих растения из разных семейств.

Патологический процесс

При изучении действия возбудителей болезни на растительный организм, особенно важно учитывать изменчивость взаимосвязей в единой системе растение – паразит – среда. Эта изменчивость характеризует динамичность развития болезни растения и определяется как патологический процесс.

Патологическпий процесс – это все изменения внутренних тканей и клеток растения под влиянием жизнедеятельности возбудителя болезни и неблагоприятных абиотических факторов окружающей среды. Это процесс сопровождается нарушением физиологических функций тканей и органов растения.

В основе патологического процесса лежит нарушение обмена веществ. Характеризуется он продолжительностью и глубиной происходящих процессов. С этой точки зрения болезни растения определяется, как сложное динамическое состояние, характеризующееся патологическим процессом, сопровождающимся нарушением физиологических функций, изменением структуры и снижением продуктивности растения.

Динамика и исход патологического процесса зависит от свойств самого растения, особенностей возбудителя болезни, условий окружающей среды. Каждая из трех составляющих может оказать решающее влияние на течение болезни и ее исход.

Пути распространения возбудителя болезни

Различают несколько способов распространения возбудителей заболевания:

Анемохория – распространение воздушным путем. Часто встречается у грибов. Так распространяются уредоспоры ржавчинного гриба Puccinia graminis, конидии Peronospora brassicae. Бактерии Erwinia amylovoraраспространяются по воздуху в виде слизистых нитей экссудата.
Гидрохория – распространение с водой. Этот способ не имеет существенного значения при распространении на большие расстояния, но играет определенную роль в органичном пространстве (поле, теплица, сад). Так могут распространяться грибы рода Fusarium, низший гриб Plasmodiophora brassicae, бактерия Pseudomonas syringae pv. glycinea.
Зоохория – распространение с помощью различных организмов-переносчиков. В распространении фитопатогенов участвуют насекомые, клещи, нематоды, различные животные. С помощью организмов переносчиков (векторов) распространяются: столбур пасленовых, возбудитель желтой карликовости картофеля. Слизистый бактериоз капусты во время вегетации переносится капустной мухой, клопами и другими капустными вредителями.
Антропохория – распространение с помощью человека в основном происходит во время проведения ручных операций по уходу за растениями. При механической обработке с частичками почвы по полю разносится споры возбудителя рака картофеля. Патогены завозят в новые районы с семенами, посадочным материалом, сельскохозяйственной продукцией и сырьем.

Многие патогены, в частности представители рода Peronospora, и другие возбудители ложных мучнистых рос, распространяются и водным, и воздушным способом.

Фитопатогенные вирусы – субмикроскопические инфекционные агенты, вызывающие инфекционные заболевания растений. Характеризуются малыми размерами, не наблюдаются в световом микроскопе. Полностью зависят от клетки растения-хозяина (облигатные паразиты). Имеют простое строение вирионов (нуклеиновая кислота, покрытая одним или несколькими слоями белковых молекул) [3] .

Содержание:

Морфология и структура фитовирусов

По морфологии частиц вирусы растений могут быть палочковидными, нитевидными, изомерическими (близкие к сферическим), бацилловидными или пулевидными [3] .

В состав вириона входят нуклеиновая кислота и капсид. Последний определяет форму вириона. Существует и несколько крупных вирусов, имеющих вокруг капсида внешнюю оболочку – мембрану, образующуюся на поздних стадиях формирования вириона. К таким вирусам относятся: Tomato spotted wilt virus, Winter wheat Russian mosaic virus [1] .

У вирусов палочковидной и нитевидной формы спиральный тип строения капсида, у изомерических – инкосаэдрический [1] .

Из вирусов со спиральной симметрией хорошо изучен вирус табачной мозаики. К вирусом с икосаэндрической симметрией, оболочки, которых выглядят как многогранники относятся:

вирус желтой мозаики турнепса – имеет 180 белковых субъединиц, сгруппированных в 32 капсомера (12 пентамеров и 20 гексамеров), РНК большей частью погружена в белковую оболочку;
вирус обыкновенной мозаики огурца, вирусмозаики костра – строение капсомера аналогично вирусу желтой мозаики турнепса;
мозаика коровьего гороха – вирион содержит 60 белковых субъединиц двух типов: первый – субъединицы собраны в 12 пентамров, второго – в 20 тримеров [1] .

Размеры вирионов фитовирусов варьируют в значительных пределах. Каждому вирусу соответствует определенный размер частиц одного или нескольких видов. Изомерические частицы имеют диаметр от 17 нм до 75 нм. Палочковидные, нитевидные, бацилловидные – могут иметь длину от десятков до 2000 нм. Диаметр нитевидных и палочковидных вирионов – 3–10 нм, бацилловиных – от 18 до 75 нм [1] .

Вирус табачной мозаики Tobacco mosaic virus

Растение-хозяин – табак (Nicotiana tabacum) [5]

Химический состав вирусов растений

Фитопатогенные вирусы содержат нуклеиновую кислоту (РНК или ДНК), белок, ионы металлов. У некоторых отмечают присутствие до 20% липидов (бацилловидные вирусы), до 1% полиамидов (вирус желтой мозаики турнепса), ферментов типа РНК-транскриптазы (вирусы раневых опухолей клевера, вирусы некротического пожелтения салата-латук). Половину массы кристаллов вирусов и от 10% до 50% массы вирионов в суспензии составляет вода. Однако для определения состава вириона расчеты проводят по сухой массе [1] .

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновая кислота – это длинная полимерная цепь, состоящая из нуклеотидов. В состав нуклеотида входят: азотистое основание, сахар (рибоза для РНК и дезоксирибоза для ДНК), остаток фосфорной кислоты [1] .

Последовательность оснований нуклеиновой кислоты определяет последовательность аминокислот и свойства вирусоспецифичности белков. Нуклеиновая кислота каждого вируса имеет характерную только для него последовательность и соотношение нуклеотидов [1] .

Большинство фитовирусов имеют одноцепочечную РНК (вирус табачной мозаики, X-вирус картофеля, Y-вирус картофеля). Двухцепочечная РНК зафиксирована у вируса раневых опухолей клевера, вируса карликовости риса. ДНК содержащими вирусами являются: вирус мозаики цветной капусты и вирус пожелтения жилок огурца [1] .

Содержание РНК варьирует. Для изометрических вирусов оно составляет от 15% до 45%, для палочковидных – до 5%, для бацилловидных – до 1% [1] .

РНК включает два пуриновых (аденин и гуанин) и два пиримидиновых (цитозин и урацил) основания. ДНК вместо урацила содержит тимин. Соседние нуклеотиды соединены фосфорнодиэфирными связями между 3’-атомом рибозы одного нуклеотида и 5’-углеродным атомом другого [1] .

Вирусы с одноцепочной РНК характеризуются не совпадением соотношений гуанин: цитозин и аденин: урацил. Двухцепочечные РНК и ДНК- содержащие вирусы характеризуются совпадением указанных соотношений [1] .

Существуют многокомпонентные фитовирусы вирусы или вирусы с разделенным геномом. В них РНК представлена несколькими типами с различной молекулярной массой. Отдельные представители этой группы имеют в одном из типов частиц две и более молекулы РНК с различными генами в составе. Характерно, что каждая из них в отдельности неинфекционна и вирусы реплицируются на основе обмена продуктами, кодируемыми отдельными компонентами фрагментированного генома. К многокомпанентным вирусам относятся: вирус кольцевой пятнистости табака, вирус кольцевой пятнистости малины. У них выявлено: три типа частиц у первого и два типа частиц у второго патогена [1] .

Многокомпонентные вирусы могут иметь однородные по размерам частицы с одной молекулой РНК. Однако эта молекула у разных частиц различается по молекулярной массе и запасу информации. К таким вирусам относятся: вирус мозаики коровьего гороха, вирус обыкновенной мозаики огурца, вирус мозаики костра [1] .

Описан ряд сферических, палочковидных и бациловидных вирусов с наличием различных по размерам и содержанию РНК вирионами. В частности, вирус погремковости табака имеет частицы двух типов. Вирус мозаики люцерны характеризуется наличием вирионов от почти изометрической до бацилловидной и палочковидной формы, с различными параметрами длины и ширины. Каждому типу частиц соответствует РНК определенной молекулярной массы. Различие типов РНК многокомпонентных вирусов имеет важное биологическое значение в вопросе репродукции вирусов [1] .

Белки

Белки формируют капсиды вирусов растений. По аминокислотному составу и соотношению аминокислот они не отличаются от белков бактерий, растений и животных. В белках вирусов в малых количествах содержаться цистеин, метионин, триптофан, гистидин, тирозин. Некоторые из названных аминокислот могут отсутствовать. Одновременно характерно повышенное содержание треонина и серина [1] .

Белок оболочки (капсида) состоит из одинаковых белковых субъединиц. Их молекулярная масса у различных вирусов колеблется от 10 до 80 тыс. Размер белковых молекул фитовирусов варьирует в диапазоне от 150 до 600 и более аминокислотных остатков [1] .

Класс Вироиды (Viroids) – таксон включает инфекционные агенты – вироиды, открытые Т.О. Дайнером в 1972 году. По другим данным вироиды были открыты в 1967 г. T. Diener и W. Raymer. Эти ученые экспериментально доказали, что причина заболевания веретеновидность клубней – низкомолекулярная РНК. Живыми организмами вироиды фактически не являются. Они вызывают болезни растений, человека и животных. В настоящее время разделены на два семейства Pospiviroidae и Avsunviroidae. Бинарная номенклатура для вироидов не используется [3] . Заболевание, вызванное вироидом, именуют вироидоз [3] .

Варианты классификации вироидов

Для вироидов характерно сходство их первичной и вторичной структуры. Анализ выявляет высокую степень гомологичности в последовательности нуклеотидов определенных групп [2] .

Одновременно обнаруживают ряд общих свойств:

неспособность РНК метилировать и транслироваться;
наличие идентичного фрагмента 18 пуриновых оснований в центральной части молекулы [2] .

Выявленные элементы сходства и различия позволили выделить группу ВВКК (по типичному представителю) из нескольких вироидов, а так же группы ВСОА и ВПКК, включающие только по одному члену [2] .

Кроме того, предлагается классификация вироидов из 9 групп. В качестве таксономических показателей в данном случае используются следующие признаки и свойства:

наличие в структуре центрального фрагмента CDN-viroid или НН-viroid в концевой (головной) ее части,
РНК-полимеразная зависимость репликации ДНК или рибосомоподобный аутокатализ РНК, отношение к РНК-азе хозяина и РНК-лигазе,
синтез по схеме РНК-РНК или РНК-ДНК-РНК [2] .

Особо выделены вироиды, так называемых сателлитных РНКs, репликация которых определяется вирусом помощником (helper virus). Длине молекул в данном случае отводится незначительная роль [2] .

Структура

Молекула вироидов – имеет небольшие размеры и состоит из односпиральной, ковалентной, замкнутой структуры с участками из двухспиральных сегментов (спаренных оснований). Молекулярная масса обычно не превышает 150 КДальтон [2] . Вероидная РНК состоит из 250 – 400 нуклеотидов [1] .

Биология

Вироиды – наиболее примитивная форма патогенов, наименьшая из известных, по размерам. Эти патогены не способны самостоятельно кодировать синтез специфических белков [2] .

Вироидная РНК может реплицироваться автономно за счет биохимических механизмов хозяина. Однако, она обладает высокой стабильностью к физическим и химическим факторам. Так, они устойчивы к температуре свыше 100°C, спиртам, фенолам [1] [2] .

При интенсивном использовании биоресурсов вироиды проявляют тенденцию к распространению [2] .

Вироиды способны передаваться контактно-механическим путем, с прививкой, пыльцой, семенами, насекомыми, растениями-паразитами (повиликой). Они инфицируют преимущественно Двудольные растения [1] .

Методы диагностики вироидных болезней

Выявление и идентификация вироидозов затруднена. Однако разработано несколько достаточно надежных методов точного определения патогена [1] .

Визуальная диагностика – данный метод часто затруднен бессимптомным характером развития заболевания. Симптоматика зависит от многих факторов: агрессивности штамма, внешних условий, продолжительности заражения. Кроме того, поражения вироидами часто сходны с заболеваниями, вызванные другими причинами: недостатком или избытком минерального питания, избытком регуляторов роста, гербицидов. Точная идентификация вироидозов методами визуальной диагностики невозможна [1] .

Метод индикаторных растений – широко распространен. Он основан на использовании растений-индикаторов, способных давать четкие, специфичные симптомы, характерные для определенного патогена. Заражение травянистых растений проводится путем механической инокуляции соком и проявляется в форме местных некрозов, иногда наблюдается угнетение роста или изменение окраски.

Соконепереносимые патогены прививают различными методами. Иногда для передачи вироидов используют насекомых и повилику [1] .

Метод электронной микроскопии – исследования проводят с помощью электронных микроскопов. В ультратонких срезах растений, иногда в осветленном соке определяют форму, строение и размеры вироидов. Метод используют редко из-за высокой стоимости оборудования и реактивов [1] .

Молекулярно-биологические методы – основываются на знании строения молекулы РНК или ДНК вироида. Самый распространенный тест – амплификация (умножение) видоспецифичных последовательностей РНК в ходе полимеразной цепной реакции. Выделенные фрагменты РНК, многократно умножают при помощи ферментов в присутствии праймеров (олигонуклеотидов). Затем РНК и ДНК обнаруживают методом электрофореза в геле или методом иммунофлуоресценции. Этот метод широко распространен в практических работах вирусологов [1] .

Метод ДНК-зондов – основан на принципе комплементарности нуклеиновых кислот. Синтезируют специфичные зонды, способные гибридизироваться только с определенными нуклеотидными последовательностями РНК вироида. В зависимости от выбора зонда возможна дифференциация группы, вида и штамма вироида [1] .

Распространение

Вироиды – широко распространены по всему земному шару [2] .

Вредоносность

Содержание:

Морфология и структура фитовирусов

По морфологии частиц вирусы растений могут быть палочковидными, нитевидными, изомерическими (близкие к сферическим), бацилловидными или в пулевидными.

В состав вириона входят нуклеиновая кислота и капсид. Последний определяет форму вириона. Существует и несколько крупных вирусов, имеющих вокруг капсида внешнюю оболочку – мембрану, образующуюся на поздних стадиях формирования вириона. Ктакимвирусамотносятся: Tomato spotted wilt virus, Winter wheat Russian mosaic virus.

У вирусов палочковидной и нитевидной формы спиральный тип строения капсида, у изомерических – инкосаэдрический.

вирус желтой мозаики турнепса – имеет 180 белковых субъединиц, сгруппированных в 32 капсомера (12 пентамеров и 20 гексамеров), РНК большей частью погружена в белковую оболочку;
вирус обыкновенной мозаики огурца, вирус мозаики костра – строение капсомера аналогично вирусу желтой мозаики турнепса;
мозаика коровьего гороха – вирион содержит 60 белковых субъединиц двух типов: первый – субъединицы собраны в 12 пентамров, второго – в 20 тримеров.

Химический состав вирусов растений

Фитопатогенные вирусы содержат нуклеиновую кислоту (РНК или ДНК), белок, ионы металлов. У некоторых отмечают присутствие до 20% липидов (бацилловидные вирусы), до 1% полиамидов (вирус желтой мозаики турнепса), ферментов типа РНК- транскриптазы (вирусы раневых опухолей клевера, вирусы некротического пожелтения салата-латук). Половину массы кристаллов вирусов и от 10% до 50% массы вирионов в суспензии составляет вода. Однако для определения состава вириона расчеты проводят по сухой массе.

Нуклеиновые кислоты

Большинство фитовирусов имеют одноцепочечную РНК (вирус табачной мозаики, X- вирус картофеля, Y-вирус картофеля). Двухцепочечная РНК зафиксирована у вируса раневых опухолей клевера, у вируса карликовости риса. ДНК содержащими вирусами являются: вирус мозаики цветной капусты и вирус пожелтения жилок огурца.

Содержание РНК варьирует. Для изометрических вирусов оно составляет от 15% до 45%, для палочковидных – до 5%, для бацилловидных – до 1%.

Белки

Классификация фитовирусов

Группы вирусов – объединяют типичного представителя и родственные ему вирусы. Название группы составляется из обычного названия типичного представителя на английском языке. В частности, группа вируса табачной мозаики – тобамовирусы (tobamoviris– tobaccomosaicvirus).

Криптограмма – закодированная форма, содержащая сведения о ряде свойств вирусов. Каждая состоит из четырех пар символов.В криптограмме зашифрованы сведения: о типе нуклеиновой кислоты, числу цепей в молекуле, молекулярная масса нуклеиновой кислоты, содержание нуклеиновой кислоты в процентах в вирионе, форма вириона, тип хозяина, тип переносчика.

В настоящее время Исполнительным комитетом МКТВ утверждены 30 семейств фитовирусов. Среди них только два Geminiviridaeи Caulimoviridaeсоставляют вирусы с однонитевым и двунитевым ДНК-геномом. Остальные вирусы растений являются РНК-геномными. При этом геном большинства фитовирусов – это однотитевая РНК.

Читайте также: