Fitoplazma - Phytoplasma

Fitoplazma
Filodia indukowana przez infekcję fitoplazmą jeżówki (Echinacea purpurea)
Filodia indukowana przez infekcję fitoplazmą jeżówki ( Echinacea purpurea )
Klasyfikacja naukowa mi
Domena: Bakteria
Gromada: Tenerykuty
Klasa: Mollikute
Zamówienie: Acholeplasmatales
Rodzina: Acholeplasmataceae
Rodzaj:
' Candidatus Phytoplasma'
Gatunek

Fitoplazmy są obowiązkowymi pasożytami wewnątrzkomórkowymi tkanki łyka roślinnego i wektorów owadzich, które biorą udział w ich przenoszeniu z rośliny na roślinę. Fitoplazmy zostały odkryte w 1967 roku przez japońskich naukowców, którzy nazwali je organizmami podobnymi do mykoplazm . Od czasu ich odkrycia fitoplazmy opierały się wszelkim próbom hodowli in vitro na dowolnym podłożu bezkomórkowym; Rutynowa uprawa na sztucznym podłożu pozostaje zatem poważnym wyzwaniem. Fitoplazmy charakteryzują się brakiem ściany komórkowej , plejomorficznym lub nitkowatym kształtem, średnicą zwykle mniejszą niż 1 μm i bardzo małym genomem .

Fitoplazmy są patogenami ważnych rolniczo roślin, w tym orzecha kokosowego , trzciny cukrowej i drzewa sandałowego , u których powodują różnorodne objawy, od łagodnego żółknięcia po śmierć. Fitoplazmy są najbardziej rozpowszechnione w regionach tropikalnych i subtropikalnych . Są przenoszone z rośliny na roślinę przez wektory (zazwyczaj owady wysysające soki pokarmowe, takie jak skoczki ), w których zarówno przeżywają, jak i rozmnażają się .

Historia

Odniesienia do choroby znanej obecnie być spowodowane przez mikoplazmy znajduje się już w 1603 ( morwy choroby karłowatych w Japonii ). Takie choroby początkowo uważano, że spowodowane przez wirusy , które, podobnie jak mikoplazmy, wymagają wektory owadzie i nie mogą być hodowane . Infekcje wirusowe i fitoplazmatyczne mają pewne objawy. W 1967 r. fitoplazmy odkryto w ultracienkich skrawkach tkanki łyka roślinnego i nazwano je organizmami mykoplazmopodobnymi ze względu na ich podobieństwo fizjologiczne. Organizmy przemianowano na mikoplazmy w 1994 r. na X Kongresie Międzynarodowej Organizacji Mykoplazmologii .

Morfologia

Fitoplazmy to Mollicutes , które są związane raczej trójwarstwową błoną niż ścianą komórkową. Badane dotychczas błony komórkowe fitoplazmy zwykle zawierają pojedyncze immunodominujące białko o nieznanej funkcji, które stanowi większość białka w błonie. Typowa fitoplazma ma kształt plejomorficzny lub nitkowaty i ma średnicę mniejszą niż 1 μm. Podobnie jak inne prokariota , fitoplazmatyczny DNA jest rozprowadzany w cytoplazmie , zamiast być skoncentrowany w jądrze.

Objawy

Fitoplazmy mogą infekować i powodować różne objawy u ponad 700 gatunków roślin. Jednym z charakterystycznych objawów jest nieprawidłowy rozwój organów kwiatowych, w tym filodia (tj. wytwarzanie struktur podobnych do liści zamiast kwiatów ) i wiorescencja (tj. rozwój zielonych kwiatów przypisywany utracie pigmentu przez komórki płatków ). Rośliny kwitnące zasiedlające fitoplazmę mogą jednak być sterylne . Ekspresja genów zaangażowanych w utrzymanie merystemu wierzchołkowego lub w rozwój organów kwiatowych jest zmieniona w morfologicznie dotkniętych organach kwiatowych roślin zakażonych fitoplazmą.

Infekcja fitoplazmą często wywołuje żółknięcie liści, prawdopodobnie z powodu obecności komórek fitoplazmy we floemie, które mogą wpływać na funkcję łyka i transport węglowodanów , hamować biosyntezę chlorofilu i powodować rozpad chlorofilu. Objawy te mogą być spowodowane stresem wywołanym infekcją, a nie specyficznym procesem patogenetycznym.

Wiele roślin zarażonych fitoplazmą przybiera krzaczasty lub „ czarownicowy ” wygląd z powodu zmian w ich normalnych wzorcach wzrostu. Większość roślin wykazuje dominację wierzchołkową, ale infekcja może wywołać proliferację pędów pachowych (bocznych) i zmniejszenie rozmiaru międzywęźla. Takie objawy są rzeczywiście przydatne w komercyjnej produkcji poinsecji . Infekcja wyzwala większą produkcję pędów pachowych; w ten sposób rośliny poinsecji wytwarzają więcej niż jeden kwiat.

Białka efektorowe (wirulencji)

Wiele patogenów roślinnych wytwarza czynniki wirulencji (tj. efektory), które modulują lub zakłócają normalne procesy gospodarza na korzyść patogenów. W 2009 r. z fitoplazmy, która powoduje żółknięcie cebuli , zidentyfikowano białko wydzielnicze, zwane „induktorem tengu-su” (TENGU; C0H5W6 ) ; był to pierwszy opisany czynnik wirulencji fitoplazmalnej. TENGU wywołuje charakterystyczne objawy (tzw. „tengu-su”), w tym miotłę wiedźmy i karłowatość. Transgeniczna ekspresja TENGU w roślinach Arabidopsis indukowała bezpłodność kwiatów męskich i żeńskich. TENGU zawiera peptyd sygnałowy na swoim N-końcu; po rozszczepieniu dojrzałe białko ma tylko 38 aminokwasów. Chociaż mikoplazmy są ograniczone do łyka, TENGU jest transportowane z łyka do innych komórek, w tym merystemów wierzchołkowych i pachowych. Zasugerowano, że TENGU hamuje zarówno szlaki związane z auksyną, jak i kwasem jasmonowym, wpływając tym samym na rozwój roślin. Co zaskakujące, N-końcowy 11-aminokwasowy region dojrzałego białka wyzwala rozwój objawów u roślin Nicotiana benthamiana . TENGU podlega obróbce proteolitycznej przez roślinną proteazę serynową in vivo , co sugeruje, że sam N-końcowy peptyd (tj. fragment 11-aminokwasowy) wywołuje obserwowane objawy. Homologi TENGU zidentyfikowano w fitoplazmach z grupy AY. Wszystkie takie homologi przechodzą przetwarzanie i mogą wywoływać objawy, co sugeruje, że mechanizm wywołujący objawy jest zachowany wśród homologów TENGU.

W 2009 roku w genomie fitoplazmy Aster Yellows zidentyfikowano 56 genów białek sekrecyjnych Witches Broom (AY-WB); nazwano je sekrecyjnymi białkami AY-WB (SAP) i uznano za efektory. Również w 2009 roku wykazano, że efektor SAP11 celuje w jądra komórek roślinnych i rozładowuje komórki łyka w roślinach zakażonych AY-WB. Stwierdzono, że SAP11 indukuje proliferację łodyg i zmiany kształtu liści roślin; proliferacje łodyg indukowane przez SAP11 przypominają objawy miotły wiedźmy u roślin zakażonych AY-WB. Ponadto wykazano, że SAP11 oddziałuje i destabilizuje roślinne czynniki transkrypcyjne domeny białka TCP klasy II , co prowadzi do proliferacji pędów i zmian kształtu liści. Oprócz regulacji rozwoju roślin, TCP kontrolują również ekspresję genów lipooksygenazy niezbędnych do biosyntezy jasmonianu . Poziomy jaśmonianu są obniżone w roślinach Arabidopsis zakażonych fitoplazmą i roślinach, które transgenicznie wyrażają efektor AY-WB SAP11. Zmniejszenie produkcji jasmonianu jest korzystne dla fitoplazm, ponieważ jasmonian bierze udział w obronie roślin przed owadami roślinożernymi, takimi jak skoczki . Skoczki do liści składają zwiększoną liczbę jaj na roślinach zakażonych AY-WB, przynajmniej częściowo z powodu produkcji SAP11. Na przykład skoczek dolistny Macrosteles quadrilineatus złożył o 30% więcej jaj na roślinach transgenicznie wyrażających SAP11 niż rośliny kontrolne i 60% więcej jaj na roślinach zakażonych AY-WB. Fitoplazmy nie mogą przetrwać w środowisku zewnętrznym, a ich przenoszenie na nowe (zdrowe) rośliny są zależne od owadów, takich jak skoczki. Tak więc, utrudniając produkcję jasmonianu, SAP11 „zachęca” skoczki do składania większej liczby jaj na roślinach zakażonych fitoplazmą, zapewniając w ten sposób, że nowo wyklute nimfy skoczków liściastych żywią się zakażonymi roślinami, aby stać się wektorami fitoplazmy. Efektory SAP11 są identyfikowane w wielu rozbieżnych fitoplazmach i te efektory oddziałują również z TCP i modulują obronę roślin. SAP11 jest pierwszym białkiem wirulencji fitoplazmy, dla którego zidentyfikowano cele roślinne i funkcje efektorowe (tj. dowody korzyści dla patogenu). Stwierdzono, że TCP jest celem wielu innych efektorów patogenów.

Wykazano, że efektor fitoplazmy AY-WB SAP54 indukuje wi-rescencję i filodię po ekspresji w roślinach, a homologi tego efektora znaleziono w co najmniej trzech innych mikoplazmach. Dwa homologi SAP54, PHYL1 z mikoplazmy żółtaczki cebulowej i PHYL1 PnWB z mikoplazmy miotła wiedźm orzechowych, również wywołują nieprawidłowości kwiatowe podobne do filody. Wyniki te sugerują, że PHYL1, SAP54 i ich homologi tworzą rodzinę genów indukujących filody, której członkowie są określani jako filogeny. Czynniki transkrypcyjne MADS-box (MTF) modelu ABCE odgrywają kluczową rolę w rozwoju narządów kwiatowych u Arabidopsis . Filogeny oddziałują bezpośrednio z MTF klasy A i klasy E, indukując degradację białka w sposób zależny od ubikwityny/proteasomu, który, przynajmniej w przypadku SAP54, jest zależny od interakcji z czynnikiem wahadłowym proteasomu RAD23. Co ciekawe, mutanty RAD23 nie wykazują filodii po zakażeniu fitoplazmą, co wskazuje, że białka RAD23 są czynnikami podatności; tj. fitoplazmy i SAP54 wymagają tych białek roślinnych do indukowania objawów filodii. Akumulacja mRNA kodujących MTF klasy B, których transkrypcja jest pozytywnie regulowana przez MTF klasy A i klasy E, jest drastycznie zmniejszona u Arabidopsis z konstytutywną ekspresją PHYL1. Filogeny indukują nieprawidłowy rozwój narządów kwiatowych poprzez hamowanie funkcji tych MTF. Białka RAD23 są również wymagane do promowania składania jaj wektora skoczka liściowego na roślinach, które wyrażają SAP54 i są zakażone fitoplazmą AY-WB.

Przenoszenie

Ruch między roślinami

Fitoplazmy rozprzestrzeniane są głównie przez owady z rodzin Cicadellidae ( skoki liściowe ), Fulgoridae (skoczki roślinne ) i Psyllidae (wszy skaczące), które żywią się łykiem porażonych roślin, połykając fitoplazmy i przenosząc je do następnej rośliny, na której żywią się. Zatem zakres gospodarzy fitoplazm jest silnie zależny od wektora owadziego. Fitoplazmy zawierają główne białko antygenowe stanowiące większość białka powierzchniowego komórki. Białko to wiąże się z kompleksami mikrofilamentów owadów i uważa się, że kontroluje interakcje między owadami a fitoplazmą. Fitoplazmy mogą zimować w wektorach owadów lub roślinach wieloletnich. Fitoplazmy mogą mieć różny wpływ na swoich owadzich żywicieli; odnotowano przykłady zarówno zmniejszonej, jak i zwiększonej sprawności.

Fitoplazmy wnikają do ciała owada przez mandryn , przechodzą przez jelita , a następnie przemieszczają się do hemolimfy i kolonizują gruczoły ślinowe : cały proces może trwać do 3 tygodni. Po zadomowieniu się w żywicielu owadzim fitoplazmy znajdują się w większości głównych narządów. Czas między połknięciem przez owada a osiągnięciem miana zakaźnego w gruczołach ślinowych określany jest jako okres utajenia.

Fitoplazmy mogą być również przenoszone przez kaniaki ( Cuscuta ) lub przez rozmnażanie wegetatywne, takie jak przeszczepienie zainfekowanej tkanki roślinnej na zdrową roślinę.

Ruch w roślinach

Fitoplazmy przemieszczają się w obrębie łyka od źródła do zlewu i mogą przechodzić przez sito rurowe . Jednakże, ponieważ fitoplazmy rozprzestrzeniają się wolniej niż substancje rozpuszczone , a także z innych powodów uważa się, że bierna translokacja w roślinach jest nieistotna

Wykrywanie i diagnoza

Przed erą molekularną diagnoza chorób wywoływanych przez fitoplazmy była trudna, ponieważ organizmów nie można było hodować. Wykorzystano więc klasyczne techniki diagnostyczne, w tym obserwację objawów. Zbadano również ultracienkie skrawki tkanki łyka z roślin z podejrzeniem infekcji fitoplazmą. Dodatkowo wykorzystano empiryczne stosowanie antybiotyków, takich jak tetracyklina .

Techniki diagnostyki molekularnej do wykrywania fitoplazm zaczęły pojawiać się w latach 80. XX wieku i obejmowały metody oparte na enzymatycznym teście immunosorpcyjnym ( ELISA ). Na początku lat 90. opracowano techniki oparte na reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR): są one znacznie bardziej czułe niż testy ELISA, a analiza polimorfizmu długości fragmentów restrykcyjnych (RFLP) umożliwiła dokładną identyfikację różnych szczepów i gatunków fitoplazm .

Nowsze techniki umożliwiają ocenę poziomu infekcji. Zarówno ilościowy PCR, jak i bioobrazowanie mogą skutecznie określić ilościowo miana fitoplazmy w roślinie. Ponadto, amplifikacja izotermiczna za pośrednictwem pętli (czuła, prosta i szybka metoda diagnostyczna) jest obecnie dostępna jako komercyjny zestaw umożliwiający wykrycie wszystkich znanych gatunków fitoplazm w ciągu około 1 godziny, w tym etap ekstrakcji DNA.

Chociaż ostatnio doniesiono, że fitoplazmy rosną na określonym sztucznym podłożu, nie opisano jeszcze powtórzeń eksperymentalnych .

Kontrola

Fitoplazmy są zwykle kontrolowane przez hodowlę i sadzenie odpornych na choroby odmian roślin uprawnych (być może najbardziej opłacalną ekonomicznie opcję) oraz przez zwalczanie wektorów owadów.

Kultury tkankowe można wykorzystać do produkcji zdrowych klonów roślin zakażonych fitoplazmą. Krioterapia (czyli zamrażanie próbek roślin w ciekłym azocie ) przed hodowlą tkankową zwiększa prawdopodobieństwo wytworzenia w ten sposób zdrowych roślin.

Opracowano również Plantibody celujące w fitoplazmy.

Tetracykliny działają bakteriostatycznie na fitoplazmy. Jednak objawy choroby powracają przy braku ciągłego podawania antybiotyków. Tak więc tetracyklina nie jest realnym środkiem kontroli rolnictwa, ale jest stosowana do ochrony ozdobnych drzew kokosowych.

Genetyka

Zsekwencjonowano genomy czterech fitoplazm : "żółć cebulowych", "żółć aster żółtych wiedźm" ( Candidatus [Ca] Phytoplasma asteris), Ca. Phytoplasma australiense i Ca. Fitoplazma Mali. Fitoplazmy mają bardzo małe genomy, z bardzo małą ilością nukleotydów G i C (czasami zaledwie 23%, co uważa się za niższy próg dla żywotnego genomu). W rzeczywistości fitoplazma białych liści trawy bermudzkiej ma rozmiar genomu tylko 530 kb, jeden z najmniejszych znanych genomów wszystkich żywych organizmów. Większe genomy fitoplazmy mają wielkość około 1350 kb. Niewielki rozmiar genomu fitoplazmy można przypisać ewolucji redukcyjnej od przodków Bacillus / Clostridium . Fitoplazmy utraciły ≥75% swoich pierwotnych genów, a zatem nie mogą dłużej przetrwać poza owadami lub łykiem roślinnym. Niektóre fitoplazmy zawierają pozachromosomalne DNA, takie jak plazmidy .

Pomimo niewielkich genomów wiele przewidywanych genów fitoplazm jest obecnych w wielu kopiach. Fitoplazmy nie mają wielu genów kodujących standardowe funkcje metaboliczne i nie mają funkcjonującego szlaku rekombinacji homologicznej , ale mają szlak transportu sec . Wiele fitoplazm zawiera dwa operony rRNA . W przeciwieństwie do innych Mollicutes The kod triplet z UGA jest stosowany jako kodon stop w mikoplazmy.

Genomy fitoplazmy zawierają dużą liczbę transpozonów i sekwencji insercyjnych, a także zawierają unikalną rodzinę powtarzających się pozagenowych palindromów określanych jako PhREPS, dla których nie jest znana rola. Istnieje jednak teoria, że ​​struktury typu łodyga-pętla w PhREPS odgrywają rolę w terminacji transkrypcji lub stabilności genomu.

Taksonomia

Fitoplazmy należą do monotypowego rzędu Acholeplasmatales . W 1992 r. Podkomitet ds. Taksonomii Mollicutes zaproponował użycie „fitoplazmy” zamiast „organizmów mykoplazmowych” „w odniesieniu do fitopatogennych mollicutes”. W 2004 r. przyjęto nazwę rodzajową fitoplazma, która obecnie ma status Candidatus (Ca.) (używana dla bakterii , których nie można hodować). Taksonomia fitoplazm jest skomplikowana, ponieważ organizmów nie można hodować; metody zwykle stosowane do klasyfikacji prokariontów nie są zatem dostępne. Phytoplasma grup taksonomicznych są w oparciu o różnice w wielkości fragmentów wytwarzanych przez trawienie restrykcyjne z 16S rybosomalnego RNA sekwencji genowej ( RFLPs ) lub przez porównanie sekwencji z regionami DNA 16S / 23S rozdzielających. Rzeczywista liczba grup taksonomicznych pozostaje niejasna; ostatnie prace nad symulowanymi komputerowo trawieniami restrykcyjnymi genu 16Sr sugerowały istnienie do 28 grup, podczas gdy inni proponowali mniej grup, ale więcej podgrup. Każda grupa zawiera co najmniej jedną Ca. Gatunek fitoplazmy, charakteryzujący się charakterystycznymi właściwościami biologicznymi, fitopatologicznymi i genetycznymi.

Galeria

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki