Kategorie:

Czy wirusy roślinne mogą być groźne dla człowieka?

O wirusach dużo się w ostatnich
miesiącach mówi ze względu na chińskiego koronawirusa SARS-CoV-2 i pandemię
wywoływanej przez niego choroby (COVID-19). Jednak materiałów dziennikarskich
czy popularnonaukowych na temat wirusów roślinnych jest w polskiej sieci
stosunkowo niewiele. Tymczasem wirusy roślinne są znaczące szczególnie z
perspektywy jednej z najważniejszych ludzkich gałęzi gospodarki, czyli
rolnictwa. Czym więc charakteryzują się wirusy roślinne (zwane też
fitowirusami)? Jak lub za pomocą czego się przemieszczają? Jak się je zwalcza?
Czy można wykorzystać je do czegoś pożytecznego? Czy są niebezpieczne dla
ludzi?

wirusy roślinne
Za: Nastya Gepp z późn. zm.

Wirusy – czym są i jakie są?

Zasadniczo wirusy to pasożytnicze
nukleoproteiny infekujące swoich gospodarzy i korzystające z ich aparatu
molekularnego do przeprowadzania procesów replikacyjnych i metabolicznych. Bytują
na organizmach większych od siebie, czyli na zwierzętach, roślinach, grzybach,
pierwotniakach, glonach czy bakteriach i archeanach. Same nie są w zasadzie
organizmami – choć aplikacyjnie zalicza się je do mikroorganizmów, jak również
element wirusowy włączany jest do biosfery – gdyż nie mają własnych komórek,
organelli komórkowych, swojego metabolizmu, mutują i ewoluują jedynie dzięki
gospodarzom.
Dojrzałe i zdolne do przetrwania
poza organizmem gospodarza oraz do zakażania cząsteczki wirusowe to wiriony. Mają
otoczkę białkową lub białkowo-lipidową. W środku zawierają swój materiał
genetyczny w postaci RNA (u wirusów RNA) lub DNA (u wirusów DNA). W komórkach i
w jądrach komórkowych gospodarza wirusy tracą swój płaszcz, do jądra wnikając z
reguły tylko ze swoim materiałem genetycznym i białkami pozwalającymi na
lokalizację właściwego dla nich fragmentu. Gdy wirus opuszcza komórkę
gospodarza, nabywa błonę lipidową z błon wewnątrzkomórkowych lub otaczających
komórkę i znów staje się wirionem.   

Wirusy roślinne (fitowirusy)

Wirusy roślinne są patogenami
roślin (agrofagami), podobnie jak mogą być nimi bakterie, grzyby, pierwotniaki,
glony, nicienie, mięczaki czy owady i inne zwierzęta. W naturze, tak jak
wszystkie pozostałe wirusy oraz organizmy, uczestniczą w rozmaitych
ewolucyjnych wyścigach zbrojeń i stanowią czynniki selekcyjne doboru
naturalnego, jak również same im podlegają (choć jak wspomniałem, nie są de
facto
mikroorganizmami w pełnym tego słowa znaczeniu). Warto wiedzieć, że
fundamenty wirusologii budowano głównie w oparciu o badania na roślinach i
wirusach roślinnych (podobnie jak podwaliny genetyki wywodziły się przede
wszystkim z botaniki i ogrodnictwa).
Najczęściej genom wirusów
roślinnych zbudowany jest z RNA, ale zdarzają się też fitowirusy posiadające
materiał genetyczny w formie DNA. Inną charakterystyczną cechą jest stosunkowo
rzadkie występowanie białkowo-lipidowej otoczki, aczkolwiek znane są wirusy
roślinne, które posiadają komponent tłuszczowy – są to wirus TSWV (wirus brązowej
plamistości pomidora) i wirus SYNV (wirus siateczkowatej żółtaczki mlecza). Z
uwagi na fakt, że rośliny nie są zdolne do aktywnego ruchu, wirusy roślinne do
infekowania roślin potrzebują zwykle wektorów, np. owadów przenoszących je na
kolejne osobniki poprzez wkłucie w tkankę roślinną i przekazanie wirusowych
cząsteczek.

wirus mozaiki tytoniu
Wirus mozaiki tytoniu. Obraz z transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Za: ARS USDA

Transmisja wirusów roślinnych

Wobec tego, że rośliny nie
przemieszczają się i nie wykonują różnych aktywności typowych dla zwierząt –
takich jak np. gryzienie, lizanie, kichanie czy kaszel, dotykowe interakcje
między osobnikami i zachowania społeczne – przenoszenie wirusów wśród tego
królestwa po części może wyglądać inaczej, jednak mechanizmy często są te same
lub podobne. U roślin wirusy mogą znajdować się w nasionach oraz w pyłku,
przechodząc wcześniej z organizmów rodzicielskich lub ze środowiska bądź
wektorów do zarodka, i w ten sposób rozprzestrzeniać się na następne pokolenia.
Droga ta – infekcja po rodzicach czy w okresie prenatalnym – obecna jest także
wśród wirusów zwierzęcych, podobnie jak infekcja powstała na skutek
mechanicznego uszkodzenia tkanki i bezpośredniego przeniesienia patogenu.
Ponieważ rośliny mogą rozmnażać się wegetatywnie za pomocą kłączy czy rozłogów,
to jeśli organizm rodzicielski jest zarażony, może przekazać wirusa organom
potomnym.
Na uwagę zasługują też wektory
rozprzestrzeniające wirusy wśród roślin. Mogą być nimi bakterie zawierające
wirusy, tak samo jak zawirusowane grzyby, pierwotniaki i zwierzęta. Owady takie
jak mszyce (pluskwiaki), koniki polne (prostoskrzydłe) czy chrząszcze (np. w
formie larwalnej) wgryzając się w tkankę roślinną mogą przenosić na nią wirusa,
jak również uszkadzać barierę chroniącą przed obecnymi w środowisku wirusami,
dzięki czemu te mają ułatwioną drogę dostania się do organizmu rośliny. Bytujące
w glebie nicienie mogą z kolei przekazywać roślinom wirusy przez korzenie.

Koewolucja roślin i wirusów

Wirusy roślinne mają utrudnioną
drogę infekcji w tym sensie, że ciężej jest im przenosić się bezpośrednio z
osobnika na osobnika tego samego gatunku (u wielu zwierząt sprawę załatwiają
interakcje wewnątrzgatunkowe, a u ssaków czy ptaków często wystarczą zachowania
związane z życiem w grupie). Dlatego też w swej historii ewolucyjnej musiały
dostosować się do zasiedlania ciał wektorów, które z roślinami toczą ciągłą
koewolucyjną walkę – roślina wytwarza system ochronny (np. chemiczny repelent,
odstraszacz) przeciwko danemu owadowi czy grupie owadów, na co te odpowiadają
ewolucją własnych dostosowań.
Z drugiej strony działalność
rozmaitych zwierząt, w tym owadów, jest roślinom potrzebna przy rozmnażaniu
(czego dobrym przykładem są figi i bleskotki, opisane przeze mnie w artykule o
symbiozie) i koewolucja biegnie wówczas także po linii mniej ofensywnej. Trzeba
też pamiętać o roli wirusów w ewolucji genomów – ich neutralizacja i wbudowanie
na stałe do sekwencji przekazywanej kolejnym pokoleniom ma znaczenie nie tylko
w ewolucji biologicznej ssaków, ale też roślin. Badania pokazują, że u mchów
właściwych istnieje wiele genów pochodzenia wirusowego i grzybowego, a
ewolucyjne analizy wskazują na znaczenie przyswojenia materiału genetycznego
wirusów przez rośliny dla dostosowywania się do życia na lądzie i jego
kolonizacji.

wirusy roślin chloroza
Chloroza liścia. Za: Jim Conrad

Wirusy roślin i choroby wirusowe roślin

Jednym z najlepiej poznanych
wirusów roślin (i pierwszym zidentyfikowanym) jest wirus mozaiki tytoniu (wirus
TMV), którego badania przyniosły fundamenty pod wirusologię jako dziedzinę
biologii. Kiedy się zaczęły, nie wiedziano jeszcze o istnieniu wirusów (badano
objawy chorobowe u rośliny, nie rozpoznając wirusa jako czynnika infekcyjnego),
a podejrzewano jedynie występowanie patogenów mniejszych od bakterii, zdolnych
do przenikania przez mikropory w filtrach antybakteryjnych. TMV posiada
materiał genetyczny w postaci RNA i powoduje chorobę zwaną mozaiką tytoniu,
objawiającą się karłowatością rośliny, fałdowaniem liści czy ich żółceniem. Do
wirusów zawierających DNA należy natomiast wirus mozaiki kalafiora (wirus CaMV),
powodujący mozaikowatość kalafiorową. Choć jest wirusem typu DNA, to potrafi przeprowadzać
odwrotną transkrypcję, tak jak robią to retrowirusy (np. HIV). Rośliny infekuje
za pośrednictwem mszyc, jako wektorów.
Przykładem panoszącego się
jeszcze niedawno na Hawajach wirusa roślinnego jest wirus pierścieniowej
plamistości papai (wirus PRSV), za swój materiał genetyczny mający RNA. Problematyczny
jest też wirus mozaiki plamistej papryki (wirus PMMoV), także typu RNA, który należy
do tego samego rodzaju, co wirus mozaiki tytoniu (Tobamovirus). Wśród
tobamowirusów znajdziemy też wirusa mozaiki pomidora (wirus ToMV), wywołującego
powstawanie pęcherzowatokształtnych struktur na powierzchni liści pomidora. To,
co w kwestii wirusów roślinnych rzuca się w oczy, to podobne nazwy dla różnych
ich gatunków, odnoszące się do plamistości, mozaikowatości oraz
pierścieniowatości, plam nekrotycznych czy chloroz, czyli objawów infekcji
występujących na liściach czy owocach chorych roślin.

Ochrona roślin przed wirusami

Rośliny są w stanie wytwarzać
odporność na atakujące je patogeny. W proces ten zaangażowany jest m.in.
roślinny gen N, który chroni przed wirusem mozaiki tytoniu. Transgeniczne
pomidory zawierające owy gen, pochodzący od tytoniu, również mogą zyskać
ochronę immunologiczną na owego wirusa. Geny awirulencji (Avr) i odporności (R)
także uznawane są za zaangażowane w ochronę przed wirusami (i innymi
patogenami). Ich oddziaływania prowadzą do wyzwolenia reaktywnych form tlenu,
niszczących zarażone komórki (zdrowym także się obrywa, co stanowi koszt
skutecznej odpowiedzi immunologicznej). Kolejny sposób to wydzielanie kalozy w
miejscu uszkodzenia i infekcji przez wirusa marszczenia rzepy (wirusa TCV) czy inaktywację
polimerazy przy ataku ze strony wirusa mozaiki tytoniu.
Ogrodnicy, sadownicy czy rolnicy
mogą (a często wręcz muszą, jeśli nie chcą stracić znacznej części swoich upraw
i plonów) pomagać roślinom w zapobieganiu i zwalczaniu infekcji wirusowych. Jedną
z dostępnych metod jest opieranie się na genetycznie zmodyfikowanych odmianach
roślin z odpornością na poszczególne choroby wirusowe. Przykładem
spektakularnego sukcesu odmiany GMO, chroniącej przed wirusami, jest tęczowa
papaja odporna na wirusa pierścieniowej plamistości papai (wirusa PRSV), która przez
firmy biotechnologiczne została udostępniona rolnikom za darmo i dzisiaj jest
bardzo popularna na Hawajach.

bakulowirusy
Wirus poliedrozy jądrowej z rodziny bakulowirusów. Obraz z transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Za: J. R. Adams

Tradycyjne metody hodowli nowych
odmian także pozwalają uzyskiwać formy o większej odporności na wirusy i one
również w przypadku wielu roślin warzywnych i owocowych są wykorzystywane w
rolnictwie i sadownictwie. Sam sposób uprawy też może mieć znaczenie w
kontekście chronienia roślin przed fitowirusami. Na przykład wirus mozaiki
ogórka (wirus CMV) łatwo rozprzestrzenia się w uprawach hydroponicznych (czyli
takich, gdzie woda zastępuje ziemię), ale przez glebę już nie. Dlatego też
wybór podłoża oprócz innych uwzględnianych cech i czynników, może być związany
także z ochroną przed patogenami.
Przeciwdziałanie w bardziej
reaktywny sposób może opierać się na usuwaniu źródeł i ognisk infekcji, czyli
eliminacji chwastów czy materiałów mogących zawierać wirusa oraz pojedynczych
zakażonych roślin. Znaczenie ma także kontrolowanie liczebności organizmów
wektorowych, przenoszących wirusy, takich jak nicienie glebowe czy owady
prostoskrzydłe bądź wciornastki, w czym pomocne są nematocydy i insektycydy.
Istnieją też aktywne terapie antywirusowe dedykowane roślinom, na przykład
termoterapie polegające na nagrzewaniu pędów czy krioterapie korzeni, jak
również wirocydy, czyli pestycydy skierowane przeciw wirusom. 

Wirusy chroniące rośliny przed szkodnikami

Wirusy to nie tylko szkodniki i
patogeny. Są wykorzystywane w inżynierii genetycznej do tworzenia
zmodyfikowanych genetycznie odmian roślin i zwierząt, również takich, które
mogą mieć cechy związane z poprawioną odpornością. W kontekście roślin ciekawe
jest jednak przede wszystkim wykorzystanie wirusów jako pestycydów biologicznych,
czyli środków ochrony roślin służących zwalczaniu uszkadzających je zwierząt,
np. owadów. Uchodzą one za bardziej „naturalne” od pestycydów chemicznych wobec
czego bywają preferowane względem pozostałych.
Stosowanymi jako pestycydy
biologiczne wirusami są bakulowirusy, mające materiał genetyczny w postaci DNA.
W stanie wolnym, jako wiriony, posiadają otoczkę białkową z komponentem
lipidowym. Pierwotnie infekują przewód pokarmowy owadów, a następne inne układy
ich ciał. Pozyskiwane są głównie od motyli, gdyż to one najczęściej stanowią
cel bakulowirusów. Oprócz tego mogą jednak atakować inne owady innych rzędów –
na przykład muchówki (ciekawostka: badania pokazują, że bakulowirusy są dobrymi
wektorami do modyfikowania genetycznego m.in. komarów, co ważne jest w
kontekście przeciwdziałania rozprzestrzenianiu się chorób roznoszonych przez te
owady; bakulowirusy sprawdza się też pod kątem produkcji szczepionek przeciwnowotworowych)
– a nawet inne stawonogi (jak choćby skorupiaki). Nowoczesne pestycydy
biologiczne zawierać mogą także genetycznie zmodyfikowane bakulowirusy z genami
roztoczy czy skorpionów (a więc pajęczaków), pozwalającmi na syntezę neurotoksyn,
co czyni je skuteczniejszymi.

uprawa hydroponiczna
Uprawa hydroponiczna w Crop Diversification Centre w Kanadzie. Za: Bryghtknyght

Dużą zaletą stosowania
bakulowirusów jest to, że nie są szkodliwe dla ssaków, jak i innych kręgowców.
Nie są też wirusami roślinnymi, więc wykorzystywanie preparatów
bakulowirusowych na roślinach nie stanowi pod tym względem zagrożenia. Ze
względu na niskie ryzyko wykorzystuje się je nie tylko w rolnictwie, ale także
genetycznych badaniach naukowych jako wektory, a perspektywicznie mogą się
przydać również w medycynie. Istnieją co prawda doniesienia, że w warunkach in
vitro
molekularne wektory bakulowirusowe mogą penetrować ssacze hepatocyty
(komórki wątrobowe), ale nie stwierdzono szkodliwych skutków ich obecności.
Wadą bakulowirusów stosowanych w
rolnictwie jest dosyć niska wydajność i skuteczność w porównaniu z tradycyjnymi
pestycydami chemicznymi. Ze względu na specyfikę wirusową (np. posiadanie
otoczki białkowo-lipidowej) stosowanie tych pestycydów biologicznych ma pewne
ograniczenia dotyczące warunków meteorologicznych. Poza tym, ponieważ bakulowirusy,
jako wirusy są quasi-mikroorganizmami, trzeba się liczyć z ryzykiem
wypuszczania ich do środowiska (niebezpieczeństwo jest jednak w tym przypadku
niemal zerowe). Jako jedne z możliwych do wyboru środków ochrony roślin
bakulowirusy są więc przydatne w ogrodnictwie, sadownictwie i rolnictwie.

nekroza roślin
Nekroza liścia. Za: Catkin, Pixabay

Czy wirusy roślinne infekują ludzi?

Dla wielu najciekawsze jest
pytanie, czy wirusy roślinne mogą przekroczyć barierę królestwa i przenieść się
na ludzi w warunkach in vivo. Wirusa mozaiki tytoniu znajdowano w ślinie
palaczy, a badania przeciwciał (na 60 osobach, palących i niepalących) wykazały
obecność IgG, IgA i IgM przeciwko temu wirusowi i co więcej, u palaczy ich
stężenie było wyższe. Materiał genetyczny wirusa mozaiki plamistej papryki
(PMMoV) zidentyfikowano w ludzkim kale, ale to jest słaba poszlaka – sama
obecność wirusów roślinnych w przewodzie pokarmowym (który tak jak drogi
oddechowe, stanowi środowisko zewnętrzne dla organizmu), pochodzących ze
zjedzonych roślin, nie jest niczym wyjątkowym czy nadzwyczajnym. Silniejszą wskazówką
może być fakt, że osoby ze zidentyfikowanym w kale PMMoV miały także
przeciwciała IgM i objawy takie, jak gorączka oraz ból brzucha.
Podsumowując, przegląd badań
pokazuje, że u ludzi fitowirusy wykrywano jedynie w kale, ślinie i plwocinach.
U innych ssaków zdarzały się obserwacje pojedynczych przypadków penetracji ich komórek
przez wirusy roślinne w warunkach in vivo, ale przez eksperymentalną
ekspozycję (celowane wprowadzenie), na przykład przez wirusa mozaiki tytoniu u
myszy, którego obecność potwierdzono w badaniach mikroskopowych –
immunohistochemicznych pod mikroskopem świetlnym oraz pod mikroskopem
elektronowym – jak również molekularnych: PCRem w czasie rzeczywistym (RT-PCR)
i sekwencjonowaniem. Nadal jednak nie ma dowodów, by wirusy roślinne były w
stanie skutecznie i masowo replikować się w organizmach kręgowców i powodować
choroby. Obecny konsensus naukowy jest więc taki, że fitowirusy są dla zdrowia ludzi
bezpieczne.
Artykuł napisałem w ramach
współpracy z Polskim Stowarzyszeniem Ochrony Roślin.
Literatura
Acosta-Leal, R., et al. „Advances in plant virus
evolution: translating evolutionary insights into better disease
management.” 
Phytopathology
(2011).
Anna
Goździcka-Józefiak. Wirusologia. Wydawnictwo Naukowe PWN. Warszawa
(2019). 
Balique,
Fanny, et al.
„Tobacco mosaic virus in the lungs of mice
following intra-tracheal inoculation.” PLoS One (2013).
Betting, David J., et al. „Enhanced immune
stimulation by a therapeutic lymphoma tumor antigen vaccine produced in insect
cells involves mannose receptor targeting to antigen presenting
cells.” Vaccine (2009).
Colson, Philippe, et al. „Pepper mild mottle
virus, a plant virus associated with specific immune responses, fever, abdominal
pains, and pruritus in humans.” PloS one (2010).
de Medeiros, Ricardo B., et al. „Expression of a
viral polymerase-bound host factor turns human cell lines permissive to a
plant-and insect-infecting virus.” Proceedings of the National
Academy of Sciences (2005).
Douglas Futuyma. Ewolucja. Wydawnictwo Uniwersytetu
Warszawskiego. Warszawa 2005.
Haase,
Santiago, Alicia Sciocco-Cap, and Víctor Romanowski.
„Baculovirus
insecticides in Latin America: historical overview, current status and future perspectives.” Viruses (2015).
Hofmann, Christian, et al. „Efficient gene
transfer into human hepatocytes by baculovirus vectors.” Proceedings
of the National Academy of Sciences (1995).
Hoh, François, et al. „Structural insights into
the molecular mechanisms of cauliflower mosaic virus transmission by its insect
vector.” Journal of virology (2010).
Ikeda, Motoko, Rina Hamajima, and Michihiro Kobayashi.
„Baculoviruses: diversity, evolution and manipulation of
insects.” Entomological Science (2015).
Koonin, Eugene V., Tatiana G. Senkevich, and Valerian
V. Dolja. „The ancient Virus World and evolution of
cells.” Biology direct (2006).
Liu, Ruolan, et al. „Humans have antibodies
against a plant virus: evidence from tobacco mosaic virus.” PloS
one (2013).
Mandadi, Kranthi K., and Karen-Beth G. Scholthof.
„Plant immune responses against viruses: how does a virus cause
disease?.” The plant cell (2013).
Mandal, Bikash, and R. K. Jain. „Can plant virus
infect human being?.” Indian Journal of Virology (2010).
Naik, Nenavath Gopal, et al. „Baculovirus as an
efficient vector for gene delivery into mosquitoes.” Scientific
reports (2018).
Nikitin, N. A., et al. „Biosafety of plant
viruses for human and animals.” Moscow University biological sciences
bulletin (2016).
Paul, Arghya, et al. „Bioengineered baculoviruses
as new class of therapeutics using micro and nanotechnologies: principles,
prospects and challenges.” Advanced Drug Delivery
Reviews (2014).
Stevens W.A. „Plant Virus Disease Control”.
Virology of Flowering Plants (1983).
Tripathi, Savarni, et al. „Nutritional
composition of Rainbow papaya, the first commercialized transgenic fruit
crop.” Journal of Food Composition and Analysis (2011).
Verchot-Lubicz, Jeanmarie. „Soilborne viruses:
advances in virus movement, virus induced gene silencing, and engineered
resistance.” Physiological and molecular plant pathology (2003).
Wang, Min-Rui, et al. „In vitro
thermotherapy-based methods for plant virus eradication.” Plant
methods (2018).
Whitham, Steve, Sheila McCormick, and Barbara Baker.
„The N gene of tobacco confers resistance to tobacco mosaic virus in
transgenic tomato.” Proceedings of the National Academy of Sciences
(1996).
Yue, Jipei, et al. „Widespread impact of
horizontal gene transfer on plant colonization of land.” 
Nature communications (2012).

 

 

Bioksiążka

 

Najnowsze wpisy

`

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *