Wirusy roślinne: czy 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?

Zasadniczo wirusy (w tym wirusy roślinne) 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 wnikają 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 są patogenami roślin (agrofagami). Podobnie jak mogą być nimi bakterie, grzyby, pierwotniaki, glony, nicienie, mięczaki czy owady i inne zwierzęta. W naturze, jak wszystkie pozostałe wirusy oraz organizmy, uczestniczą w ewolucyjnych wyścigach zbrojeń. Stanowią też 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. Obraz z transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Za: ARS USDA

 

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.

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.

Chloroza liścia. Za: Jim Conrad

 

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.

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.

 

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 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 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). Pozwalają one na syntezę neurotoksyn, co czyni je skuteczniejszymi.

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. 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). Jednak 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 liścia. Za: Catkin, Pixabay

 

Dla wielu najciekawsze jest pytanie, czy wirusy roślinne mogą przekroczyć barierę królestwa? Przenieść się na ludzi w warunkach in vivo? Wirusa mozaiki tytoniu znajdowano w ślinie palaczy. Badania przeciwciał (na 60 osobach, palących i niepalących) wykazały obecność IgG, IgA i IgM przeciwko temu wirusowi. 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. Jednak nie ma dowodów, by wirusy roślinne były w stanie skutecznie i masowo replikować 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.