Исследование первой защиты томатов от вируса ToCSV на молекулярно-генетическом уровне
Впервые на молекулярно-генетическом уровне исследовано, как растения томата защищаются от разрушительного "молодого" южноафриканского вируса. Исследование провели учёные из Университета Йоханнесбурга (UJ).
Ген Ty-1 известен тем, что обеспечивает устойчивость к хорошо изученному вирусу желтой курчавости листьев томата (TYLCV). Исследователи UJ изучили, что происходит, когда растения томата, несущие ген Ty-1, заражаются относительно малоизвестным вирусом курчавости стебля томата (ToCSV). Они обнаружили связь между толерантностью к ToCSV, защитным механизмом растения под названием метилирование вирусной ДНК и активностью гена Ty-1. Исследование опубликовано в Frontiers in Plant Science.
Для изучения этого процесса использовались методы бисульфитного преобразования и ПЦР-амплификации в сочетании с подходом полногеномного секвенирования вируса нового поколения.
Молодой вирус в пути
Многие патогены атакуют растения томата, которые являются третьей по величине овощной культурой в мире после картофеля и маниоки.
Вирус курчавости стебля томата (ToCSV) возник в Южной Африке около 30 лет назад и распространяется белокрылкой. Вирус может уничтожить весь урожай томатов, особенно если заражено достаточное количество молодых растений. Он также был обнаружен в соседнем Мозамбике.
"Молодой" вирус ToCSV схож с устоявшимся вирусом TYLCV на уровне ДНК.
Но относительно мало известно о "инструментах", которые растения томата могут использовать для защиты от ToCSV, говорит ведущий автор исследования доктор Фархана Алли, исследователь из отдела биохимии UJ.
Троянский конь внутри растений
Вирусы атакуют растения с незапамятных времен, но им всё ещё приходится обманывать растения, чтобы реплицироваться и вызывать болезнь, говорит соавтор исследования доктор Геррит Корсен.
"Геминивирусы, такие как ToCSV, не способны создавать свои копии и распространяться. Они полностью зависят от растения в этом. Вирусу нужно обмануть растение, заставив его "думать", что оно производит больше своей собственной ДНК. Таким образом, вирус подобен троянскому коню внутри растения. Растение реплицирует вирусную ДНК, "не зная об этом", "заботясь об инфекции" и распространяя болезнь, вызываемую вирусом".
Атака на ДНК внутри вируса
В непрекращающейся битве между растениями и вирусами растения "обнаружили", что очень эффективно сосредоточить контратаку на ДНК внутри вирусов.
Для исследования использовали сорт томата, восприимчивый к ToCSV, и другой сорт, который может его переносить.
Восприимчивый сорт имеет ряд защитных механизмов против других патогенов, но не может преодолеть ToCSV, говорит Алли. ToCSV может полностью инфицировать этот сорт.
Изучение реакции растений на новый вирус, такой как ToCSV, имеет решающее значение для поиска способов выведения устойчивых культур.
Ген устойчивости Ty-1
"Толерантный сорт томата имеет схожий генетический фон с восприимчивым сортом, но он лучше активирует ген устойчивости Ty-1, с чем у восприимчивого сорта возникают трудности", — говорит Алли.
"Ген Ty-1 известен как главный ген устойчивости томатов к вирусу желтой курчавости листьев (TYLCV). "Молодой" вирус ToCSV схож с TYLCV по своему геному, поэтому Ty-1 также может быть ответственным за толерантность или устойчивость к ToCSV.
"В качестве первого шага для изучения связи между устойчивостью, толерантностью и геном Ty-1 мы хотели проверить, использует ли толерантное растение "инструмент" метилирования ДНК для борьбы с болезнью курчавости стебля томата".
Выключение вирусной ДНК
"Представьте ДНК одного вируса ToCSV как крошечную резиновую ленту", — говорит Корсен. "Когда белокрылка питается растением, она переносит тысячи таких ДНК-лент в клетки растения.
"Давайте сравним клетку растения, восприимчивого к ToCSV, с клеткой растения томата, которое в некоторой степени может его переносить. В клетке толерантного растения ген Ty-1 очень активен.
"Основываясь на данных этого исследования, мы считаем, что активность Ty-1 может быть связана со способностью растений помечать определенные участки на вирусной ДНК-"резинке" и "выключать" их, чтобы вирус не мог создавать свои копии внутри клетки растения".
"Метки" — это метильные группы. Каждая метильная группа — это один атом углерода и три атома водорода (CH3). Метки присоединяются к последовательностям букв C-G, C-H-H и C-H-G на вирусной ДНК. Процесс "маркировки" называется метилированием — известным защитным механизмом у растений.
Со временем в клетке толерантного растения появляется всё больше меток на критических частях ДНК вирусов, и вирус либо прекращает репликацию, либо реплицируется медленно. Это называется эпигенетическим сайленсингом, вызванным метилированием.
Между тем в клетке восприимчивого растения ген устойчивости Ty-1 менее активен. Поэтому тысячи инфицирующих вирусов от белокрылки могут реплицироваться внутри клетки растения. Со временем вирусов в растении становится всё больше, и растение оказывается полностью зараженным.
Ускорение защиты
"Теперь у нас есть одна часть "защитного инструментария томата". Я в восторге от того, чтобы исследовать, какие ещё защитные инструменты есть у растений томата и как они работают вместе", — говорит Алли.
Поскольку битва между вирусами и растениями бесконечна, вирус ToCSV в конечном итоге мутирует, растения томата будут давать отпор, а новые вычислительные методы создадут новые возможности в селекции растений, говорит Корсен.
До сих пор защитные механизмы одного сорта томата сравнивались с другим с помощью стандартного статистического анализа.
Корсен с нетерпением ждёт возможности изучить методы машинного обучения (ML) и новые методы ИИ для сравнения сортов томатов.
"Я в восторге от того, как мы можем использовать их, чтобы получить больше информации о защите растений, используя гигабайты биологических данных, генерируемых в таких исследованиях, как это".