Фото Красохиной С.И.
Почему виноградная лоза и вирусы? Древнее сожительство, заслуживающее большого внимания
Виноградная лоза (Vitis spp.) - одна из основных и наиболее экономически важных плодовых культур во всем мире. В отличие от других видов сельскохозяйственных культур, виноград и вино имеют древнюю историческую связь с развитием человеческой культуры и социально-культурными условиями в районах выращивания винограда, особенно в Средиземноморском бассейне.
Куст винограда потенциально может содержать множество вирусных образований, и сосуществование между виноградной лозой и вирусами, вероятно, длилось веками, поскольку первые косвенные свидетельства вирусных заболеваний виноградной лозы относятся еще к временам Древнего Рима, когда были описаны симптомы болезни винограда, схожие с вирусом скручивания листьев.
Вирусы - это облигатные внутриклеточные паразиты, которые живут и размножаются в клетках-хозяевах. Они обладают небольшим геномом с ограниченной кодирующей способностью, зачастую - не более дюжины белков. Чтобы завершить свой жизненный цикл и распространиться в тканях растений, вирусы развили очень сложный процесс, в котором задействованы как вирус, так и хозяин.
Также известно, что виноградная лоза является хозяином для большого количества патогенных агентов, включая 65 вирусов, 5 вироидов и 8 фитоплазм. Расширение технологий высокопроизводительного ДНК-секвенирования в последние годы дало большой импульс открытию ранее не известных вирусов, инфицирующих виноградную лозу (например, виноградный вирус Пино гри GPGV).
Во многих научных исследованиях описывается генетическое разнообразие популяций вирусов и симптомы, связанные с вирусными заболеваниями кустов винограда. Однако только в нескольких исследованиях изучались молекулярные, метаболические и физиологические явления, возникающие в результате вирусных инфекций в виноградных лозах. К этой области интерес появился недавно, потому что становится все более очевидным, что вирусы вызывают некоторые изменения, которые потенциально влияют на общую реакцию виноградной лозы на окружающую среду, и наоборот.
Вирусные инфекции являются обычным явлением в полевых условиях, и зачастую выявляются множественные инфекции на винограднике у кустов винограда.
Какие основные вирусные заболевания поражают виноград и как с ними бороться?
Хотя в настоящее время в виноградной лозе идентифицировано 65 различных видов вирусов, только около половины из них признаны агентами или предполагаемыми агентами «серьезных заболеваний» с точки зрения экономической значимости.
Основными болезнями, поражающими виноградную лозу, являются: «инфекционное вырождение» или «упадок», вызываемое вирусом веерных листьев (фанлиф-вирус), или вирус короткоузлия (GFLV), поражение вирусом мозаики-резухи Arabis (ArMV) и другими представителями рода Неповирус (Nepovirus); болезнь скручивания листьев винограда (GLD), вызываемая пятью различными вирусами, которые принадлежат к родам Ampelovirus, Closterovirus и Velarivirus; и комплексных заболеваний древесины (RWD), который состоит из четырех различных заболеваний, связанных с различными вирусами (в том числе ямчатость древесины).
Воздействие основных вирусных заболеваний на виноград включает снижение жизнеспособности растений, уменьшение урожайности и ухудшение качества ягод, что приводит к большим экономическим потерям для всего виноградарства (включая винодельческую промышленность) и оправдывает недавний рост научных исследований по борьбе с вирусными болезнями.
Недавние исследования показали, что экономические потери от болезни скручивания листьев (GLD) оценивался в 25 000–40 000 долларов на гектар в течение 25 лет жизни виноградника сорта Каберне фран и 47 000 долларов за гектар в течение 20 лет на виноградниках сорта Совиньон блан и Мерло в Новой Зеландии. Также на виноградниках штата Калифорния экономические затраты на GLD оцениваются в диапазоне от 29 902 до 226 405 долларов за гектар в зависимости от процента заражения и технологии возделывания виноградников. Эти данные позволяют предположить, что глобальные финансовые потери, вызванные вирусными заболеваниями винограда, ежегодно составляют миллионы долларов.
Воздействие вирусных заболеваний усиливается тем фактом, что виноград как растение является вегетативно размножаемым видом, и многие сорта винограда были распространены в виде вегетативных черенков во всем мире без учета возможных внутриклеточных патогенных агентов и вирусного статуса.
В отношении вирусов могут быть приняты только профилактические меры для ограничения риска инфицирования, такие как химическая борьба с переносчиками вирусов или применение санитарных методов для удаления инфекции. За последние 20 лет были применены различные стратегии для уничтожения вирусов с целью получения сертифицированного посадочного материала, свободного от наиболее опасных вирусных патогенов.
Методологии, обычно используемые в программах обеззараживания винограда, такие как термотерапия invitroи/или in vivo, культивирование меристем, химиотерапия и криотерапия, демонстрируют различный успех в зависимости от вида вируса. Некоторые вирусы, такие как вирусом бороздчатости древесины Grapevine rupestris (GRSPaV), и вироиды особенно устойчивы к элиминации.
Только соматический эмбриогенез оказался очень эффективным против большого количества вирусов и вироидов, хотя это не часто используемый метод из-за риска индуцирования сомаклональной изменчивости (Gambino et al ., 2006 , 2011 ).
Как молекулярные изменения, вызванные вирусами, способствуют развитию симптомов у винограда? На примере вируса (GLRaV-3), связанного со скручиванием листьев винограда.
GLRaV-3 - это вирус виноградной лозы, молекулярные взаимодействия которого с хозяином широко изучены. GLRaV ‐ 3 является одним из наиболее распространенных вирусов скручивания листьев и связан с болезнью скручивания листьев GLD, которая характеризуется серьезными симптомами в конце вегетационного периода, включая деформацию листьев, покраснение или пожелтение листьев, хлороз и пагубное воздействие на содержание сахаров и накопление антоцианов в ягодах, а также на урожайность (рис. 1 а).
Фенотипические изменения зараженных кустов предположительно связаны с изменениями баланса источник-поглотитель уровней сахаров, поскольку GLRaV-3 распространяется по флоэме, что, в свою очередь, связано с изменениями метаболических путей в инфицированной ткани.
Этот вирус вызывает изменения в профилях транскриптов в широком диапазоне процессов клеточного листа, включая функции, связанные с обменом белков, транспортом (например, транспортёры сахара), метаболизмом, транскрипцией и защитой. Несколько подавленных генов винограда кодируют белки, связанные с фотосистемами, и фотосинтетическими пигментами, связанными со снижением фотосинтетической активности. Кроме того, виноградная лоза отвечает на инфекцию GLRaV-3, активируя программу старения в листьях: несколько вирус-индуцированных генов (то есть генов, связанных со старением (SAG), белков, связанных с патогенезом (PR)) экспрессируются на повышенных уровнях во время физиологического старения в здоровых кустах винограда.
Другой интересный эффект GLRaV-3 - дифференциальная регуляция флавоноидного пути в разных органах. В листьях, инфицированных GLRaV-3, активируются гены биосинтеза антоцианов, что способствует красновато-пурпурному цвету симптоматических листьев виноградной лозы у темноягодных сортов винограда, тогда как в ягодах регуляция антоцианов понижается во время созревания в связи с измененной экспрессией генов, участвующих в транспорте сахаров и гормональных ответах (рис. 1 a).
Известно, что в виноградной лозе уровень антоцианов повышается одновременно с накоплением сахаров. Подавление генов, участвующих в накоплении антоциано, инфекцией GLRaV-3, вероятно, связано с более низким содержанием сахаров в инфицированных ягодах, тогда как противоположная ситуация наблюдается в инфицированных листьях, в которых имеет место высокое накопление сахаров.
Хотя однозначное объяснение причин/следствий нельзя отнести к молекулярным изменениям, описанным в научных работах, их потенциальный вклад в реакцию виноградной лозы на вирус следует тщательно рассмотреть, чтобы выяснить сложные биологические механизмы, ответственные за развитие симптомов поражения у растений.
Рисунок 1. Биологические и молекулярные эффекты вирусов у виноградного куста.
Схематическое изображение симптомов, а также молекулярных и физиологических изменений, вызванных (а) вирусом-3, ассоциированным со скрученными листьями виноградной лозы (GLRaV-3) и (б) вирусом бороздчатости древесины (GRSPaV) у винограда вида Vitis vinifera. Полученные данные относятся к конкретным комбинациям штаммов вируса и сорта, как указано в тексте статьи.
Условные обозначения: gs - устьичная проводимость; Rh - гидравлическое сопротивление; Pn - чистая скорость фотосинтеза; штамб, потенциал воды в штамбе. Иллюстрации Марко Мартини.
Всегда ли вредны вирусы виноградной лозы? Некоторые примеры взаимной адаптации вируса и его хозяина
Вирусы не обязательно вредны во всех ситуациях. В некоторых конкретных случаях они могут демонстрировать примеры взаимополезного сожительства в зависимости от своего хозяина.
Читайте здесь: Насколько вредоносны вирусы винограда?
Интересный пример этого явления связан с вирусом бороздчатости древесины GRSPaV, одного из наиболее распространенных вирусов, заражающих виноград, как правило, у сортов вида Vitis vinifera находящимся в латентном состоянии, без развития макроскопических фенотипических изменений (рис. 1 б).
У вида винограда V. rupestris симптоматика, связанная с инфекцией GRSPaV, обычно связана с ямками на побеге rupestris», нарушением, называемом ямчатость древесины. Однако развитие симптомов варьируется в зависимости от варианта GRSPaV, вида Vitis и, возможно, коинфекции с другими вирусными образованиями, которые не всегда известны.
Глобальный анализ экспрессии генов GRSPaV-инфицированных растений V. vinifera показал некоторы ранее неизвестные неожиданные реакции для других взаимодействий растение-вирус.
В полевых условиях растения, инфицированные GRSPaV, демонстрируют: очень слабое снижение физиологической эффективности и урожайности, связанное с увеличением количества транскриптов, участвующих в фотосинтезе и фиксации CO2; снижение некоторых защитных механизмов; и перекрытие с реакцией на засуху и соленость воды (рис. 1 в).
Эти соображения предполагают некоторые типы взаимодействия между GRSPaV и абиотическим стрессом у куста винограда. В условиях теплицы этот вирус изменяет реакцию куста виногралда на засуху: растения, инфицированные GRSPaV, демонстрируют более высокую скорость фотосинтеза и устьичной проводимости, низкое гидравлическое сопротивление водному транспорту и повышенную способность извлекать воду из почвы.
Кроме того, GRSPaV также изменяет профили несколько микроРНК (miRNAs), которые в некоторых случаях кажутся важными игроками о взаимодействии между GRSPaV и засухой у виноградных кустов (рис. 1б). Физиологические модификации, наблюдаемые у инфицированных растений, могут быть связаны со специфической модуляцией некоторых miRNAs и их мишеней.
Недавно был определен еще один пример положительного взаимодействия между вирусом и виноградом. Виноград, инфицированный GLRaV-3, показал повышение устойчивости к возбудителю милдью.
Виноград, выращенный в полевых условиях, продемонстрировал значительное снижение вторичных инфекций милдью у растений, инфицированных GLRaV-3. Авторы предположили, что чрезвычайно сложные регуляторные механизмы, встречающиеся у зараженных вирусом растений (например, изменение некоторых физиологических параметров, накопление ресвератрола и повышенная регуляция некоторых генов, связанных с защитой), могут частично объяснить наблюдаемое снижение восприимчивости к атаке возбудителя милдью.
В соответствии с наблюдениями о том, что происхождение основных групп GLRaV-3 могло произойти до выращивания винограда во всем мире, можно рассматривать партнерство между виноградной лозой и его вирусами как древний симбиоз, который, в этом конкретном случае, привел к совместной эволюции ответов на грибковый фитопатоген.
Эти примеры представляют две особенные работы по сравнению со многими работами, демонстрирующими исключительно патогенность вирусных агентов в виноградной лозе.
Они очень интересны, поскольку иллюстрируют дальнейший уровень сложности взаимоотношений между виноградом и вирусом и приносят новые результаты, позволяющие лучше понять эти взаимодействия, которые заслуживают дальнейшего внимания.
Эти примеры показывают, что на отношения вирус-виноградное растение могут влиять многие переменные. Например:
1) штаммы вируса. Разные изоляты могут вызывать разные симптомы у виноградной лозы;
2) генотип винограда. Генетические и биологические различия хозяина могут определять разные реакции на один и тот же вирус. Например, сорта Каберне фран, Пино нуар, Каберне Совиньон и Барбера являются сортами, очень чувствительными к GLRaV-3, и могут использоваться в качестве хозяев-индикаторов при биологическом индексировании для скрининга материала виноградной лозы на наличие этого вируса;
3) совместное заражение разными вирусами. Вегетативное размножение, использование зараженных подвоев и передача переносчиков инфекции могут способствовать множественным инфекциям на виноградниках. В этих ситуациях некоторые возможные отношения, установленные между различными вирусами, могут привести к синергетическим или антагонистическим (конкурентным) взаимодействиям;
4) человеческий отбор. Сорта винограда, доступные в настоящее время, являются результатом многовекового отбора людей. Во время такой естественной клоновой селекции могли быть отобраны комбинации конкретных генотипов виноградной лозы с вирусными популяциями, включающие определенные виды вирусов и конкретные варианты внутри этих видов, поскольку они придали особенно интересные черты.
Следует ли изучать виноградную лозу и ее вирусы как часть микроэкосистемы?
Только недавно биологи растений расширили свою точку зрения и продемонстрировали, что растения и фитобиом (или холобионт, состоящий из микробиома и макробиома) взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой, модулируя реакцию растений на биотические и абиотические факторы.
Еще один уровень сложности, концепция патогенеза также эволюционировала в патобиоме, который учитывает фитобиом и его патогенные агенты, оба из которых интегрированы в окружающую среду, на которую влияют такие факторы, как деятельность человека и загрязнение окружающей среды.
В свете этого, а также благодаря развитию методов «мета-омики» (прим. – омики – различные биологические дисциплины, названия которых заканчиваются на суффикс «-омика», такие как геномика, протеомика, метаболомика, метагеномика и транскриптомика), взаимодействие виноградной лозы с вирусом можно рассматривать не только с точки зрения классических бинарных отношений (хозяин-патоген), но также с учетом самого растения и его эндофитных микроорганизмов - как единый организм или микроэкосистема, адаптирующиеся к внешней среде.
В данной статье мы сообщили о некоторых важных молекулярных эффектах, вызванных у винограда двумя широко распространенными вирусами с различной патогенностью и экономическим воздействием: GLRaV-3, который вызывает заболевание, приводящее к большим экономическим потерям, и GRSPaV, который может считаться латентным у вида V. vinifera. Необходимо будет продолжить изучение и подтверждение этих результатов на виноградниках с различными сортами, несколькими комбинациями подвоев и привоями и различными штаммами вирусов.
Эти результаты могут предоставить новый способ изучения взаимодействий между растениями и микроорганизмами, а также новые знания для изучения биологии растений, поскольку многие вирусы бессимптомны и их трудно идентифицировать визуально.
Из-за доступности последовательности генома виноградной лозы и новых высокопроизводительных технологий «-омики» виноград становится модельным образцом для фруктовых деревьев, о чем свидетельствует постоянно растущее число публикаций по всем аспектам биологии виноградной лозы.
Использование этих очень чувствительных технологий подчеркивает необходимость более тщательного изучения исходного материала; например, изучение процессов созревания ягод может дать существенно разные результаты, если рассматривать виноградные лозы, свободные от вирусов или инфицированные вирусами.
Более того, в свете продолжающегося явления изменения климата и возрастающей необходимости принятия более устойчивых подходов к виноградарству для сохранения ресурсов окружающей среды, эти новые исследования могут иметь важное значение для направления будущей практики виноградарства.
Эти соображения, относящиеся к виноградной лозе, могут быть распространены на другие виды сельскохозяйственных культур, такие как лесные деревья и другие древесные виды, размножаемые вегетативным путем, поскольку вегетативное размножение является одним из наиболее эффективных способов распространения вируса.
Изучение взаимодействия вируса с хозяином у нескольких видов растений может дать интересные результаты, которые помогут нам лучше понять адаптивность и эволюцию растений.
Исследование опубликовано в журнале New Phytologist, Vol: 213, Issue: 3, Pages: 983-987, 2017. Авторы – Ирен Перроне (Irene Perrone), Уолт Читарра (Walter Chitarra), Паоло Боккаччи (Paolo Boccacci), Джиорджио Гамбино (Giorgio Gambino).
Еще почитать
Риск вирусного заражения при топ-прививке на месте
Нематоды на винограднике
Вирусы на виноградниках Болгарии
Вирусы винограда: переносчики неизвестны
Вирус табачной кольцевой пятнистости – новая угроза для винограда
