3.2: Віруси

Last updated
Save as PDF

Page ID: 6959

Melissa Ha, Maria Morrow, & Kammy Algiers
Yuba College, College of the Redwoods, & Ventura College via ASCCC Open Educational Resources Initiative

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Цілі навчання

Опишіть загальну характеристику вірусів
Опишіть спектр впливу вірусних інфекцій на рослини

Віруси бувають мікроскопічними (див.\(\PageIndex{1}\) Рис. Масштаб), ацелюлярні, містять нуклеїнові кислоти. Незважаючи на невеликий розмір, який заважав їх бачити за допомогою легких мікроскопів, відкриття фільтрованого компонента меншого, ніж бактерія, яка викликає хворобу тютюнової мозаїки (ТМД), датується 1892 роком. ¹ У той час російський ботанік Дмитро Івановський відкрив джерело ТМД за допомогою порцелянового фільтруючого пристрою, вперше винайденого Шарлем Чемберландом і Луї Пастером в Парижі в 1884 році. Порцелянові фільтри Chamberland мають розмір пір 0,1 мкм, що досить мало, щоб видалити всі бактерії ≥0,2 мкм з будь-яких рідин, що пройшли через пристрій. Для визначення причини захворювання виготовляли екстракт, отриманий з заражених ТМД рослин тютюну. Спочатку джерелом захворювання вважалося бактеріальне. Всім було дивно, коли Івановський, використовуючи фільтр Чемберленд, виявив, що причина ТМД не була усунена після проходження витяжки через порцеляновий фільтр. Тож якщо бактерія не була причиною ТМД, що може бути причиною захворювання? Івановський зробив висновок, що причиною ТМД повинна бути вкрай мала бактерія або бактеріальна спора. Інші вчені, в тому числі Мартінус Бейерінк, продовжили дослідження причини ТМД. Це був Бейерінк, в 1899 році, який врешті-решт прийшов до висновку, що збудник не є бактерією, а, натомість, можливо, хімічною речовиною, як біологічна отрута, яку ми б сьогодні описали як токсин. В результаті слово вірус, латинське означає отрута, було використано для опису причини ТМД через кілька років після первинного відкриття Івановського. Навіть незважаючи на те, що він не зміг побачити вірус, який викликав ТМД, і не зрозумів, що причиною була не бактерія, Івановський зараховується як першовідкривач вірусів і засновник галузі вірусології.

Шкала, що показує розміри різних сутностей. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Розмір вірусу невеликий щодо розмірів більшості бактеріальних і еукаріотичних клітин і їх органел. Описовий текст: Найбільшим об'єктом є жаб'яче яйце розміром 1 мм. Яйцеклітини людини і пилок становлять приблизно 400 мкм. Типові рослинні мурашині клітини тварин варіюються від 10 до 100 мкм. Еритроцити менше 10 мкм. Мітохондрії і бактерії становлять приблизно 1 мкм. Віспа становить приблизно 500 нм. Вірус грипу становить приблизно 100 нм. Вірус поліомієліту становить приблизно 50 нм. Білки коливаються в межах 5-10 нм. Ліпіди коливаються від 1 до 5 нм. Атоми складають приблизно 0,1 нм.

Сьогодні ми можемо побачити віруси за допомогою електронних мікроскопів (рис.\(\PageIndex{2}\)) і знаємо про них набагато більше. Віруси є окремими біологічними сутностями; однак їх еволюційне походження все ще залишається предметом спекуляцій. З точки зору таксономії вони не входять до древа життя, оскільки є ацелюлярними (не складаються з клітин). Для того щоб вижити і розмножуватися, віруси повинні заразити клітинного господаря, роблячи їх облігатними внутрішньоклітинними паразитами. Геном вірусу потрапляє в клітину господаря і спрямовує виробництво вірусних компонентів, білків і нуклеїнових кислот, необхідних для утворення нових вірусних частинок, званих віріонами. Нові віріони виробляються в клітині-господаря шляхом складання вірусних компонентів. Нові віріони транспортують вірусний геном до іншої клітини-господаря, щоб здійснити ще один виток інфекції. Таблиця\(\PageIndex{1}\) узагальнює властивості вірусів.

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Властивості вірусів.
характеристика вірусів
Інфекційні, клітинні збудники
Облігатні внутрішньоклітинні паразити зі специфічністю хазяїна і клітинного типу
Геном ДНК або РНК (ніколи обидва)
Геном оточений капсидом білка і, в деяких випадках, фосфоліпідною мембраною, шипованою вірусними глікопротеїнами
Відсутність генів для багатьох продуктів, необхідних для успішного розмноження, що вимагає експлуатації геномів клітин господаря для відтворення

Електронна мікрофотографія, що показує довгі стрижневі віруси. На малюнку В показані чотири хворих листя рослини. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): (а) Довгі стрижнеподібні структури - це вірус тютюнової мозаїки (ВТМ), розглянутий за допомогою просвічувального електронного мікроскопа. (б) Рослини, заражені хворобою тютюнової мозаїки (ТМД), спричиненою ВТМ. Листя мають некротичні ураження і хлороз (пожовтіння). (кредит a: модифікація роботи Службою сільськогосподарських досліджень USDA - дані шкали від Метта Рассела; кредит b: модифікація роботи лісової служби USDA, Департамент патології рослин Архів Державного університету Північної Кароліни)

Віруси і рослини

Віруси можуть заражати кожен тип клітин господаря, включаючи клітини рослин, тварин, грибів, протестів, бактерій та архей. Більшість вірусів зможуть заразити тільки клітини одного або декількох видів організму. Це називається діапазоном хоста. Однак наявність широкого діапазону хостів не є поширеним явищем, і віруси, як правило, заражають лише конкретні хости та лише певні типи клітин у цих хостах. Віруси, що заражають бактерії, називаються бактеріофагами, або просто фагами. Слово фаг походить від грецького слова, що означає пожирати. Інші віруси просто ідентифікуються їх групою господаря, наприклад, грибкові або рослинні віруси. Після зараження клітини вплив вірусу може змінюватися залежно від типу вірусу. Віруси можуть спричинити аномальний ріст клітини або загибель клітин, змінити геном клітини або викликати мало помітного ефекту в клітині. Деякі віруси, як ВТМ, викликають захворювання і гальмують ріст рослин (рис.\(\PageIndex{2}\)). В інших випадках вчені виявляють, що віруси можуть надавати своїм господарям адаптивні риси, такі як теплостійкість у панікумі газового гейзера (див. Рис.\(\PageIndex{3}\)).

Вид зверху вниз скупчення трави — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Dicanthelium thermale, який також називають Panicum гейзера, - це вид трави, який здатний рости поблизу гарячих басейнів і гейзерів. Теплостійкість у цій траві обумовлена інфекцією грибком (*Curvularia protuberata*), який, в свою чергу, заражений вірусом (вірусом термічної толерантності *Curvularia*). Ні трава, ні гриб не переносять температуру ґрунту вище 38 градусів Цельсія при вирощуванні самостійно, а трави, заражені грибом без вірусів, не переносять теплового стресу. ² Всі три партнери по симбіозу потрібні для вирощування в цій екстремальній середовищі. Фотографії Крістіана Шварца, CC-BY-NC.

Та ж трава з попередньої картини росте біля басейну з гарячою водою. — Малюнок\(\PageIndex{3}\): Dicanthelium thermale, який також називають Panicum гейзера, - це вид трави, який здатний рости поблизу гарячих басейнів і гейзерів. Теплостійкість у цій траві обумовлена інфекцією грибком (*Curvularia protuberata*), який, в свою чергу, заражений вірусом (вірусом термічної толерантності *Curvularia*). Ні трава, ні гриб не переносять температуру ґрунту вище 38 градусів Цельсія при вирощуванні самостійно, а трави, заражені грибом без вірусів, не переносять теплового стресу. ² Всі три партнери по симбіозу потрібні для вирощування в цій екстремальній середовищі. Фотографії Крістіана Шварца, CC-BY-NC.

Віруси можуть передаватися через прямий контакт, непрямий контакт із зараженими матеріалами або через вектор: тварину, яка передає збудника від одного господаря іншому. Членистоногі, такі як комарі, кліщі та мухи, є типовими переносниками вірусних захворювань, і вони можуть виступати механічними переносниками або біологічними переносниками. Механічна передача відбувається, коли членистоногое переносить вірусний збудник на зовнішній стороні свого тіла і передає його новому господареві фізичним контактом. Біологічна передача відбувається, коли членистоногое переносить вірусний збудник всередині свого організму і передає його новому господареві за допомогою укусів. Більшість вірусів рослин передається попелиць (див. Рис.\(\PageIndex{4}\)).

Схема попелиці, що проколює крізь лист з її трубчастими ротовими частинами. Частинки всередині ротових частин переміщаються в рослину. — Малюнок\(\PageIndex{4}\): Попелиця як вірусні переносники. На цій схемі зображена попелиця, що проколює тканину в листі зі стилетом, щоб прочитати судинну тканину. Вірусні частинки можна побачити, як рухаються через стилет попелиці і всередину рослини. Оригінальний текст підпису: «Модель, що зображує дві стратегії зв'язування нестійких вірусів з рецепторами попелиці. Коло являє собою збільшений вигляд кінчика стилета попелиці, показуючи віріонну зв'язування через капсидні та допоміжні стратегії. У капсидній стратегії (ліва сторона кола) амінокислоти в оболонці білка нестійких стильових вірусів, таких як огіркова мозаїка cucumovirus (CMV) зв'язуються з рецепторами попелиці (наприклад, Stylin-01 рецептора Acyrthosiphon pisum і Myzus persicae). У хелпер-стратегії (права сторона кола) хелперт-компонент протеїназа (HC-Pro) діє як «молекулярний міст» між білком оболонки нестійких потивірусів і рецепторами попелиці». Діаграма та оригінальний текст підпису Кірана Р. Гадгава, Саурабха Гаутама, Девіда Расмуссена та Раджагопальбабу Срінівасан, CC BY 4.0, через Wikimedia Commons.

Резюме

Віруси - це ацелюлярні, облігатні внутрішньоклітинні паразити. Вони складаються з нуклеїнової кислоти (або ДНК, або РНК), білкової оболонки, а іноді і ліпідів. Віруси не вважаються живими, оскільки вони не складаються з клітин. Однак віруси мають важливий вплив на життєву історію організмів. Як збудники хвороб, віруси сприяють контролю населення зверху вниз. Вони також можуть позитивно впливати на біологію господаря, наприклад, термічну толерантність у панічних травах. Віруси можуть поширюватися від господаря до хоста векторами. Сисні комахи на зразок попелиці є важливими вірусними переносниками для рослин, так як вони передають віруси в судинну систему.

Виноски

¹ Г. Лекок. «[Відкриття першого вірусу, вірусу тютюнової мозаїки: 1892 або 1898?]». Конкурс Академії наук — Серія III — Науки де ла Віі 324, № 10 (2001): 929—933.

² L.M Marquez, R.S. Redman, R.J. Rodriguez, and M.J. Rossinck. (2007) Вірус у грибі в рослині: Тристоронній симбіоз, необхідний для термічної толерантності. Наука. Том 315. ІД: 10.1126/наука.1137195

Атрибуція

Контент, авторський і кураторський Марія Морроу, CC-BY-NC, використовуючи наступне джерело:

Template:ContribOpenSTAXMicrobiology