Virus tabákové mozaiky (TMV) je druh jednovláknového RNA viru s pozitivním smyslem v rodu Tobamovirus, který infikuje širokou škálu rostlin, zejména tabák a další členy čeledi Solanaceae. Napadení způsobují charakteristické vzory, jako je “mozaika” podobná skvrnitost listů a změna barvy (odtud název). TMV byl prvním objeveným virem. Ačkoli bylo od konce 19. století známo, že nebakteriální infekční onemocnění poškozuje úrodu tabáku, až v roce 1930 byl infekční agens identifikován jako virus. Toto je první patogen identifikovaný jako virus.
Obsah
- 1 Historie
- Struktura 2
- 3 Genom
- 4 Fyzikálně-chemické vlastnosti
- 5 Cyklus onemocnění
- 5.1 Infekce a přenos
- 5.2 Replikace
Příběh
V roce 1886 Adolf Mayer poprvé popsal onemocnění tabákové mozaiky, které se může přenášet mezi rostlinami, podobně jako bakteriální infekce. V roce 1892 poskytl Dmitrij Ivanovskij první konkrétní důkaz o existenci nebakteriálního infekčního agens, který ukázal, že infikovaná míza zůstala infekční i poté, co byla filtrována přes nejjemnější Chamberlandovy filtry. Později, v roce 1903, Ivanovskij publikoval práci, ve které popsal abnormální krystalické intracelulární inkluze v hostitelských buňkách nemocných tabákových rostlin a prokázal souvislost mezi těmito inkluzemi a infekčním agens. Ivanovskij však zůstal docela přesvědčen, navzdory opakovaným pokusům o předložení důkazů, že původcem byla nekultivovatelná bakterie, příliš malá na to, aby ji zadržely použité filtry Chamberland a aby ji bylo možné detekovat pod světelným mikroskopem. V roce 1898 Martinus Beijerinck nezávisle zopakoval Ivanovského filtrační experimenty a poté ukázal, že infekční agens je schopen se množit a množit v buňkách hostitele tabáku. Beijerinck zavedl termín „virus“ k označení toho, že původce onemocnění tabákové mozaiky byl nebakteriální povahy. Virus tabákové mozaiky byl prvním virem, který byl krystalizován. Toho bylo dosaženo v roce 1935, což také ukázalo, že TMV zůstává aktivní i po krystalizaci. Za svou práci mu byla v roce 1 udělena 4/1946 Nobelovy ceny za chemii, ačkoli některé jeho závěry (zejména, že krystaly byly čistý protein a byly sestaveny autokatalýzou) se později ukázaly jako nesprávné. První elektronové mikroskopické snímky TMV pořídil v roce 1939 Helmut Ruska, bratr nositele Nobelovy ceny Ernsta Ruska. V roce 1955 Heinz Fraenkel-Konrath a Robley Williams prokázali, že purifikovaná TMV RNA a její kapsidový protein (obal) se samy skládají do funkčních virů, což naznačuje, že se jedná o nejstabilnější strukturu (nejnižší volná energie). krystalografka Rosalind Franklinová pracovala pro Stanley v Berkeley asi měsíc a později navrhla a postavila model TMV pro světovou výstavu v roce 1958 v Bruselu. V roce 1958 navrhla, že virus byl spíše dutý než pevný, a předpokládala, že TMV RNA je jednovláknová. Tento předpoklad se po její smrti ukázal jako správný a nyní je známo, že jde o negativní větev. Výzkum onemocnění tabákové mozaiky a následný objev její virové podstaty sehrál důležitou roli při stanovení obecných pojmů virologie.
Struktura
Virus tabákové mozaiky má tvar tyčinky. Jeho kapsida se skládá z 2130 6400 molekul obalového proteinu (viz obrázek vlevo) a jedné genomové jednovláknové molekuly RNA o délce 16,3 158 bází. Plášťový protein se sám sestavuje do tyčinkovité spirálovité struktury (300 proteinů na šroubovicovou otáčku) kolem RNA, která tvoří strukturu vlásenkové smyčky (viz elektronový mikrofotografie výše). Proteinový monomer se skládá ze 18 aminokyselin, které jsou sestaveny do čtyř základních alfa helixů, které jsou spojeny prominentní smyčkou proximálně k ose virionu. Viriony jsou ~2 nm dlouhé a ~4 nm v průměru. Negativně obarvené elektronové mikrofotografie ukazují zřetelný vnitřní kanál s poloměrem ~3,6 nm. RNA se nachází v okruhu ~6 nm a je chráněna před působením buněčných enzymů obalovým proteinem. Rentgenová vláknová difrakční struktura intaktního viru byla studována na základě mapy elektronové hustoty s rozlišením 395 Á. Uvnitř šroubovice kapsidy, vedle jádra, je stočená molekula RNA, která se skládá z 10 XNUMX ± XNUMX nukleotidů.
Genom
TMV genom se skládá z jediného fragmentu o velikosti 6,3–6,5 kb. jednořetězcová (ss) RNA. 3′ konec má strukturu podobnou tRNA a 5′ konec má methylovaný nukleotidový uzávěr. (m7G5’pppG). Genom kóduje 4 otevřené čtecí rámce (ORF), z nichž dva produkují jeden protein díky ribozomálnímu čtení prosakujícího stop kodonu UAG. Tyto 4 geny kódují replikázu (s doménami methyltransferázy [MT] a RNA helikázy [Hel]), RNA-dependentní RNA polymerázu, tzv. pohybový protein (MP) a kapsidový protein (CP).
Fyzikálně-chemické vlastnosti
TMV je tepelně stabilní virus. Na vysušeném plechu vydrží teploty až 50 °C (120 stupňů F) po dobu 30 minut.
Cyklus onemocnění
TMV nemá jasnou strukturu přezimování. Spíše přezimuje v infikovaných tabákových stoncích a listech v půdě, na povrchu infikovaných semen (TMV může přežívat i v infikovaných tabákových výrobcích po mnoho let). Při přímém kontaktu s hostitelskými rostlinami prostřednictvím svých přenašečů (obvykle hmyzu, jako jsou mšice a listonohy) prochází TMV infekčním procesem a poté procesem replikace.
Infekce a přenos
Po svém rozmnožení proniká do sousedních buněk prostřednictvím plasmodesmat. Infekce se šíří přímým kontaktem se sousedními buňkami. Aby byl zajištěn nerušený vstup, TMV produkuje 30 kDa pohybový protein nazývaný P30, který zvyšuje plasmodesmata. TMV se s největší pravděpodobností pohybuje z buňky do buňky jako komplex RNA, P30 a replikujících se proteinů.
Může se také rozptýlit floémem a pohybovat se v rostlině na velké vzdálenosti. Kromě toho lze TMV přenášet z jednoho závodu do druhého přímým kontaktem. Ačkoli TMV nemá žádné definované přenosové vektory, virus se může snadno šířit z infikovaných hostitelů na zdravé rostliny prostřednictvím lidského kontaktu.
Replikace
Po vstupu do hostitele mechanickou inokulací je TMV štěpen, aby se uvolnil jeho virový [+] RNA řetězec. Když dojde k odstranění povlaku, je gen MetHel:Pol přeložen za vzniku uzavíracího enzymu MetHel a RNA polymerázy. Virový genom bude poté dále replikován, aby produkoval mnohočetné mRNA prostřednictvím [-]RNA meziproduktu aktivovaného HIS tRNA na [+]3′ konci RNA. Výsledné mRNA kódují několik proteinů, včetně obalového proteinu a RNA-dependentní RNA polymerázy (RdRp), stejně jako pohybový protein. TMV tedy může replikovat svůj vlastní genom.
Jakmile jsou TMV obalový protein a RNA genom syntetizovány, spontánně se sestavují do kompletních TMV virionů ve vysoce organizovaném procesu. Protomery jsou spojeny do disků nebo “zámkových podložek” sestávajících ze dvou vrstev protomerů uspořádaných do spirály. Šroubovitá kapsida roste přidáním protomerů na konec tyčinky. Jak se stonek prodlužuje, RNA prochází kanálem ve svém středu a tvoří smyčku na rostoucím konci. RNA se tedy může snadno vejít do šroubovice uvnitř spirálové kapsidy.
Hostitel a příznaky
Příznaky viru tabákové mozaiky na tabáku Příznaky viru tabákové mozaiky na orchideji
Stejně jako jiné rostlinné patogenní viry má TMV velmi široký rozsah hostitelů a má různé účinky v závislosti na infikovaném hostiteli. Je známo, že virus tabákové mozaiky způsobuje v Severní Karolíně ztráty v produkci tabáku sušeného kouřem až o dvě procenta. Je známo, že infikuje členy devíti rostlinných čeledí a nejméně 125 jednotlivých druhů, včetně tabáku, rajčat, pepře (všechny zástupci prospěšných Solanaceae), okurek a řady okrasných květin. Existuje mnoho různých odrůd. První známkou tohoto virového onemocnění je světle zelená barva mezi žilkami mladých listů. Rychle následuje „mozaika“ nebo strakatý vzor světle a tmavě zelených ploch na listech. Vrásnění lze také pozorovat tam, kde se na listech infikované rostliny objevují malé, lokalizované, náhodné vrásky. Tyto příznaky se rychle rozvíjejí a jsou výraznější na mladých listech. Jeho infekce nevede k úhynu rostlin, ale pokud dojde k infekci brzy v sezóně, rostliny zaostávají. Spodní listy podléhají „spálení mozaiky“, zejména v období horkého a suchého počasí. V těchto případech se na listech tvoří velké mrtvé plochy. To představuje jednu z nejničivějších fází infekce virem tabákové mozaiky. Postižené listy mohou být svraštělé, svraštělé nebo protáhlé. Když však TMV infikuje plodiny, jako jsou hrozny a jablka, je to téměř asymptomatické.
středa
TMV je známý jako jeden z nejstabilnějších virů. Má velmi široký rozsah přežití. Dokud okolní teplota zůstane nižší než asi 40 stupňů Celsia, může si TMV udržet svůj stabilní tvar. Vše, co potřebuje, je infikovat hostitele. V případě potřeby skleníky a botanické zahrady poskytnou nejpříznivější podmínky pro šíření TMV díky vysoké hustotě osídlení možných hostitelů a stálým teplotám po celý rok.
Léčba a management
Jednou z běžných metod kontroly TMV je sanitace, která zahrnuje odstraňování infikovaných rostlin a mytí rukou mezi výsadbami. Střídání plodin by mělo být také používáno, aby se zabránilo kontaminaci půdy/semenného lůžka po dobu nejméně dvou let. U jakékoli choroby rostlin může být také vhodné hledat kmeny, které jsou odolné vůči TMV. Alternativně lze použít techniku zkřížené ochrany, kdy je silnější kmen infekce TMV potlačen infikováním hostitelské rostliny mírným kmenem TMV, podobně jako u vakcíny.
Během posledních deseti let bylo vyvinuto použití genetického inženýrství na genom rostlinného hostitele, aby rostlinný hostitel mohl produkovat TMV obalový protein ve svých buňkách. Byla vyslovena hypotéza, že genom TMV se po vstupu do hostitelské buňky rychle překryje, čímž zabrání zahájení replikace TMV. Později se zjistilo, že mechanismem, který chrání hostitele před inzercí virového genomu, je umlčování genů.
Vědecký a environmentální dopad
TMV virus: světelná mikroskopie s ultra vysokým rozlišením
Velké množství literatury o TMV a její volbě pro mnoho průkopnických studií v oblasti strukturní biologie (včetně rentgenové difrakce), sestavování a rozebírání virů atd. je způsobeno především velkými objemy, které lze vyrobit, plus skutečností, že neinfikovat zvířata. Po vypěstování několika infikovaných rostlin tabáku ve skleníku a několika jednoduchých laboratorních postupech může vědec snadno vyrobit několik gramů viru.
James D. Watson ve svých pamětech The Double Helix cituje svou rentgenovou studii šroubovicové struktury TMV jako důležitý krok při stanovení povahy molekuly DNA.
Aplikace
Rostlinné viry lze použít k vytvoření virových vektorů, nástrojů běžně používaných molekulárními biology k dodání genetického materiálu do rostlinných buněk; jsou také zdrojem biomateriálů a nanotechnologických zařízení. Virové vektory na bázi TMV zahrnují ty z rostlinných expresních technologií magnICON® a TRBO. Díky svému válcovitému tvaru, vysokému poměru stran, samomontážní povaze a schopnosti začlenit do pláště kovové povlaky (nikl a kobalt) je TMV ideálním kandidátem pro zahrnutí do elektrod baterií. Přidání TMV k elektrodě baterie zvětší reaktivní povrch o řád, což má za následek až šestinásobné zvýšení kapacity baterie ve srovnání s geometrií ploché elektrody.
reference
další literatura
- Virový portál
- Creager AN (2002). The Life of a Virus: Tobacco Mosaic Virus as an Experimental Model, 1930 – 1965. Chicago: University of Chicago Press. ISBN 978-0-226-12026-3.
- Publikovaná příručka pro kouřem sušený tabák RJReynolds Tobacco Company, Winston-Salem, Severní Karolína, 1995
TMV je jednoduchý virus, který opakovaně našel využití v mikrobiologickém výzkumu. Je vědě již dlouho znám a dobře zvládnutý.Objev viru tabákové mozaiky vedl ke vzniku virologie. V roce 1892 začal výzkum rostlin infikovaných TMV. Pomocí předem upravené šťávy z nemocných rostlinných orgánů ruský biolog D.I. Ivanovský infikoval zdravé rostliny. A byli vystaveni působení nějakého mikrobiologického předmětu, který se ukázal být několikanásobně menší než tehdy známé bakterie.
Virus má tyčinkovité viriony a patří do skupiny tobamovirů. Tepelně stabilní, bod tepelné inaktivace 95°C, extrémně stabilní ve vnějším prostředí.
S TMV se na listech a plodech nacházejí skvrny, v důsledku čehož první získají mozaikový vzhled, odkud pochází tento název. V infikovaných oblastech se kůže ztenčuje a stává se snadno propustnou.
Tento experiment, který začal jako identifikace bakterií, které infikují kulturní rostliny, a vyvrcholil objevem nového typu patogenního agens, se ukázal být důležitý nejen pro zemědělství (studium infekce patogenem z čeledi Solanaceae), ale také pro základní vědu (účinek virů na lidi a zvířata).
Před objevením struktury viru nebylo jasné, jak přesně žije a rozmnožuje se. Poté, co vyšlo najevo, že se tento patogen skládá z proteinů a nukleové kyseliny (některé mají i lipidovou membránu), vyšlo najevo, že není schopen syntetizovat samotný protein a mimo buňku je podobný konglomerátu makromolekul. Jakmile je však v kleci, začne reprodukovat svůj vlastní druh.
Další vzestup ve fytovirologii nastal s objevem role nukleových kyselin a genetického kódu při implementaci genetické informace těla. Pro koncept schématu translace RNA se jako nejjasnější typ modelu ukázaly viry. Výzkum provedený molekulárními buněčnými biology vedl k pochopení mechanismu, kterým buňky produkují proteiny menší velikosti.
V současné době znatelně opadl zájem o virové choroby rostlin. Zároveň ale vzrostl jejich praktický význam v biotechnologii, pro výrobu farmaceutických produktů a produkci monoklonálních protilátek. V posledních letech byly publikovány projekty, ve kterých se k výrobě nanovodičů používají rostlinné viry zesíťované kovovými ionty.
Kapsida viru vypadá jako spirála tvořená 130 závity. Skládá se z 2130 monomerů obsahujících 158 aminokyselinových zbytků. Genetický materiál TMV je jednovláknová RNA. Ten je uzavřen v proteinové kapsidě, představované 2130 identickými polypeptidovými podjednotkami. V roce 1955 bylo v cross-dressingové studii prokázáno, že nejen DNA může fungovat jako nosič genetického materiálu. Frenkel-Conrad odebral dva kmeny patogenu, lišící se rozsahem a typem poškození listů tabáku. Poté, co izoloval proteinovou kapsidu z ribonukleové kyseliny, rekonstruoval patogenní agens tak, že RNA z jednoho kmene byla pokryta proteinovým obalem jiného. To prokázalo, že onemocnění odrážející se na listech nebylo určeno proteinovým kmenem, ale záviselo na dědičném materiálu. Ke kopírování TMV ribonukleové kyseliny dochází prostřednictvím RNA-dependentní RNA polymerázy, kódované v genomu tohoto typu patogenu. Tento enzym na začátku dokončuje řetězec podle principu komplementarity (mínusový řetězec), který na rozdíl od plusového řetězce nekóduje proteiny a poté podél něj syntetizuje obrovské množství patogenní RNA.
TMV infikuje buňky chloroplastů a v důsledku toho je zničen chlorofyl, což narušuje fotosyntézu, narušuje dýchání a další procesy nezbytné pro normální fungování rostliny. Virus tabákové mozaiky se přenáší semeny, šťávou z nemocných rostlin například při trhání sazenic, při zaštipování, kontaktu nemocných a zdravých rostlin a lehce vzájemně poraněných. ve větru. Přenašeči tohoto patogenu jsou mšice, štěnice, roztoči a půdní háďátka. Mozaika proniká poškozenými částmi rostliny.
Kombinace viru tabákové mozaiky s jinými viry (X, Y-bramborový virus, virus mozaiky okurky) způsobuje komplexní pruhování a výskyt hnědohnědých pruhů, širokých a úzkých pruhů na plodech, listech, stoncích a řapících, které odumírají přesčas.
Můžeme tedy konstatovat, že TMV sehrála důležitou roli nejen při objevu nového patogenu a takového směru moderní vědy, jako je virologie, ale také při dalším studiu chování patogenních agens, jejich rozmnožování a pomohla také pochopit mechanismus tvorby bílkovin v buňce. Jeho studium, zejména pomocí moderních metod, je aktuální i dnes.
