Растительные вирусы — от патогенов сельхозкультур до ключевых игроков в био-нанотехнологиях

Растительные вирусы — субмикроскопические паразиты, которые изучали в основном из-за вызываемых ими разрушительных болезней культурных растений. Однако в последние годы учёные обнаружили, что они не только вредны: они также формируют симбиотические отношения с растениями и населяющими их микробами.

Более того, геномы растительных вирусов были сконструированы для использования в доставке генов и всё чаще применяются в качестве наночастиц в био-нанотехнологиях.

Спектр симптомов

Более 1000 видов вирусов, поражающих культурные растения по всему миру, уже описаны. Они способны вызывать крупные эпидемии и полную потерю урожая, что особенно разрушительно для развивающихся стран, зависящих от нескольких основных культур для продовольственной безопасности и дохода. Например, эпидемия мозаичной болезни кассавы во многих африканских странах вызвана несколькими видами Begomoviruses, включая African Cassava Mosaic Virus. Их переносят от растения к растению белокрылки.

Часто вирусы не уничтожают урожай полностью, но снижают его объём и качество. Среди плодовых и овощных культур вирус оспы сливы (Plum pox virus) поражает косточковые деревья, а вирусы пятнистого увядания томата (Tomato spotted wilt) и жёлтой курчавости листьев томата (Tomato yellow leaf curl) наносят серьёзный ущерб томатам. Вирус Y картофеля (Potato virus Y) поражает картофель и многие овощи.

Даже более безобидные вирусы могут накапливаться в посадочном материале культур, размножаемых черенками, корнями или клубнями. Это приводит к вырождению и потерям урожая в последующие сезоны. В системах производства картофеля распространённость вирусов может быть высокой, с клубнями, заражёнными пятью или шестью разными вирусами. Такое вырождение снижает и урожайность, и качество. Исследования в странах Африки к югу от Сахары показали, что увеличение урожайности на 30–50% возможно, когда фермеры обновляют свой семенной фонд здоровым посадочным материалом.

Однако в прошлом не все симптомы вирусов считались плохими. Симптомы вируса пестролепестности тюльпанов (Tulip breaking virus) — прерывистая окраска лепестков — можно увидеть на картинах голландских мастеров XVII века. В то время луковицы, дававшие такие цветы, высоко ценились. Лишь в XX веке стало известно, что эти луковицы заражены вирусом.

Растительные вирусы можно обнаружить быстрыми и чувствительными лабораторными методами. Кроме того, их распространение можно контролировать пестицидами, убивающими естественных переносчиков, таких как насекомые или нематоды, которые передают вирусы от растения к растению. Многие виды насекомых переносят вирусы, включая тлей, трипсов и белокрылок, — и их популяции увеличиваются в размерах и географическом распространении, что, как ожидается, усилится с глобальным потеплением. По этой причине устойчивость растения-хозяина — наиболее устойчивый и эффективный способ контроля вирусов в сельскохозяйственных культурах.

Полезные вирусы

Недавние исследования показали, что многие растения в естественных популяциях заражены вирусами, многие из которых не вызывают явных симптомов, но сохраняются и передаются через семена последующим поколениям. Причина этих скрытых ассоциаций вируса и хозяина пока не ясна. Однако, как и в других взаимодействиях хозяина и вируса у млекопитающих или бактерий, некоторые вирусы могут существовать в симбиотической ассоциации и оказывать благотворное влияние. Хороший пример — исследование тропического проса, растущего в Национальном парке Йеллоустоун, где температура почвы может превышать 50°C. Трава может переносить эти условия только благодаря симбиотической ассоциации с грибком, заражённым вирусом.

Некоторые болезнетворные растительные вирусы также могут защищать растения-хозяева от абиотических стрессов, таких как холод или засуха. Растения, заражённые вирусами мозаики огурца (Cucumber mosaic), мозаики костра (Brome mosaic) и табачной мозаики (Tobacco mosaic), лучше переносят засушливые условия, чем незаражённые растения. Вирус табачной мозаики был впервые признан инфекционным агентом в 1898 году, и исследования на его основе продолжают расширять границы знаний, в том числе в био-нанотехнологиях.

Растительные вирусы являются природными наночастицами, и такие вирусы, как трубчатый палочковидный вирус табачной мозаики и икосаэдрический вирус мозаики коровьего гороха (Cowpea mosaic virus), использовались в ряде приложений. Генетически манипулируя геномами вирусов и вставляя гены, кодирующие другие молекулы, учёным удалось заставить растения-хозяева, заражённые вирусом, производить дополнительные молекулы. Молекулы могут экспрессироваться в виде слияния с поверхностью вирусных частиц или как свободный белок. Затем можно собрать листья растений и очистить молекулы для вакцин или других ценных фармацевтических препаратов.

Новая область — использование вирусных частиц в качестве «наноскаффолдов». Здесь поверхности частиц генетически или химически модифицируются, и к ним добавляются определённые соединения, пептиды и ферменты. Например, наноструктуры на основе вируса табачной мозаики могут стабилизировать магнитные жидкости в компонентах транзисторов. Фактически, будущее использование растительных вирусов в качестве компонентов в материаловедении, науках о растениях и биомедицине ограничено только нашим воображением.