Časopis NOVÁ BOTANIKA

BONUS: Mikrobitvy na polích: Viry versus plodiny

Vztah mezi rostlinami a viry zahrnuje jak škodlivé interakce, tak i ty potenciálně prospěšné. Viry, jako je například tabáková mozaika, mohou infikovat rostliny, způsobovat nemoci a snižovat jejich produktivitu. Tyto infekce obvykle ovlivňují růst rostlin, jejich schopnost
fotosyntézy, tvorbu plodů a semen. Viry však lze i využít k prospěchu kulturních rostlin, například jako nástroje pro genetické modifikace nebo v rostlinných biologiích. Mnoho rostlin má také schopnost aktivovat obranné mechanismy proti virům, což může být zajímavá oblast výzkumu, protože pomáhá lépe pochopit rostlinnou imunitu. A o tomto tématu si nyní povíme více.

Viry jakožto nebuněčné infekční částice potřebující pro vlastní rozmnožování hostitelskou buňku dokáží napadat nejen živočichy včetně člověka (rostliny s antivirovými účinky byly popsány v NB 2020/1 a 2021/1), ale i bakterie (bakteriofágy), sinice (cyanofágy), viry (virofágy) a rostliny (fytoviry). Obvykle viry pro průnik do vnímavých buněk využívají specifické receptory (glykoproteiny buněčné membrány). Rostlinné buňky však mají navíc buněčnou stěnu (bez receptorů), a tak fytoviry pro průnik do buněk potřebují překonat i tuto bariéru. K rozrušení buněčné stěny, a tedy přenosu viru do rostliny, může dojít buď mechanicky (např. přenos z virózní rostliny na zdravou během řezu ovocných stromů), či pomocí jiných organismů - vektorů (přenašečů). Hmyz představuje většinu známých vektorů rostlinných virů, ale vektory mohou být i další organismy narušující buněčnou stěnu rostlin - například háďátka, roztoči či houby. Viry způsobují poškození rostlin, menší velikost rostlin, plodů, horší kvalitu plodů či odumření celé rostliny. Kromě virů mohou rostliny být infikovány také viroidy a virusoidy, které se replikují metodou valivé kružnice a jejich RNA obsahuje tzv. hammerhead ribozym. Neexistuje plodina, která by nebyla ohrožená žádnou ekonomicky významnou virovou infekcí. Například všechny druhy obilnin jsou hostitelskými rostlinami pro virovou žlutou zakrslost obilnin (BYDV - Barley yellow dwarf virus; přenáší až 25 druhů mšic) a virovou zakrslost obilnin (WDV - Wheat dwarf virus (Obr. 2, 3); přenáší jen křísek polní).

Mezi nejškodlivější fytoviry v ČR patří šarka (RNA virus PPV - Plum pox virus napadající peckoviny, vektor je mšice), virová svinutka bramboru (RNA virus, polerovirus PLRV, redukuje výnos až o 90 %, přenášen mšicemi), virová rizomanie řepy (RNA virus BNYVV - furovirus nekrotického žloutnutí žilek řepy - snižuje cukernatost o 50-90 %, vektor je houba Polymyxa betae; Obr. 4) a virová zakrslost obilnin (DNA virus WDV, může vést až k zaorávkám celých porostů pšenice, přenašečem je křísek polní). Ovšem v důsledku globální změny klimatu, mezinárodního obchodu či turistiky mohou být do ČR zavlečena nová virová (viroidová) onemocnění plodin, jejich přenašeči či agresivnější kmeny z oblastí se již vyskytujících virů.

Projevy virové infekce mohou být podobné příznakům jiných viróz, poškození abiotickými vlivy (např. sucho, mráz), nedostatkem či nadbytkem živin. Například u kukuřice mohou být příznaky červenání listů způsobeny virem BYDW, WDV, abiotickým stresem, ale také napadením rostliny housenkami zavíječe kukuřičného. Pro úspěšné minimalizování škod na rostlinách je proto třeba správně diagnostikovat příčinu poškození těchto rostlin. Viry a viroidy se detekují pomocí protilátek a od 90. let minulého století i pomocí PCR technik. Tyto metody se tak využívají k detekci a prevenci - testování sadby a osiv, kontrolu rostlinného materiálu na hranicích, u již rozšířených virů k monitorování jejich výskytu, vyhlášení ochranných rostlinolékařských opatření, karanténních zón a likvidace nemocných rostlin.

Jak lze chránit rostliny vůči virózám? V praxi se sleduje výskyt možného přenašeče, kdy se při zvýšeném riziku využívají postřiky, které hubí daného přenašeče. Ovšem s ohledem na biodiverzitu a možná zdravotní rizika se státy EU snaží omezit využívání účinné chemické ochrany. Cíleným šlechtitelským procesem lze získat odolnější či rezistentní odrůdy, ale jedná se o dlouholetý proces. Získání tolerantních odrůd mohou uspíšit i metody cílené genetické úpravy. Vložení genů rezistence (R - resistance: exprimované v rostlinách během infekce - např. NLR geny) a deaktivace rostlinných či virových genů důležitých pro replikaci virů pomocí RNA interference umožnily tvorbu celé řady rezistentních transgenních rostlin. V současnosti je nejslibnějším systémem CRISPR/Cas9 a jeho varianty, který je založen na zjednodušené verzi bakteriálního antivirového obranného systému, kdy nukleázou Cas9 spojenou se syntetickou vodicí RNA (gRNA) lze genom buňky štěpit na požadovaném místě, což umožňuje odstranit či poškodit gen (editace genomu) nebo přidat nové geny (více v NB 2018/1). CRISPR/Cas se může použít buď přímo proti virovému genomu, nebo cíleně pozměnit specifické rostlinné geny, které kódují proteiny nutné pro úspěšnou replikaci a šíření virů. Např. CRISPR/Cas13 a systém zaměřený na degradaci RNA bramborového viru Y (PVY) zvýšil rezistenci transgenního bramboru na infekci tímto virem. Nevýhodou tvoření rezistentních genotypů genetickým inženýrstvím je, že se může jednat o rezistenci velmi specifickou a krátkodobou (prolomení rezistence mutací viru nebo umlčení transgenního genu). V současnosti podléhá pěstování geneticky modifikovaných organismů v zemědělství EU značným restrikcím, v ČR se tak zatím využívají tyto metody výhradně v základním výzkumu.

Rostliny lze zbavit virů pomocí tzv. meristémové kultury v kombinaci s termoterapií a antivirotiky. Používá se zejména při šlechtění a množení plodin. Apikální meristém se vyznačuje absencí virové infekce. Existují tři hypotézy, proč tomu tak je: a) absence cévních svazků v apikálním vrcholu sníží rychlost šíření virů, a apikální meristém tak roste rychleji než infekce; b) vysoká koncentrace auxinu zabraňuje replikaci viru; c) malá velikost plasmodesmat meristému tvoří mechanickou bariéru proti šíření virové infekce. Metoda apikální meristémové kultury je základní metodou kontroly nebezpečných rostlinných virů. Nevýhodou je, že možný výskyt mutací, tzv. somaklonální variability, při udržování meristémové kultury (kalusu) a následné rostliny in vitro. Získání rostliny zbavené viru také nezaručuje, že se daným virem v polních podmínkách znovu rychle neinfikuje.
¨
S nutností náhrady účinných pesticidů při ekologičtější rostlinné výrobě se výzkum zaměřil také na zvýšení odolnosti plodin vůči chorobám a stresům vybuzením jejich obranného systému. Proteiny vázající nukleotidy s repeticemi bohatými na leucin (NLRs; nucleotide-binding proteins with leucine-rich repeats) rozpoznávající proteiny patogenu kontrolují v rostlinném organismu imunitní odpověď vůči patogenům. Genetická rezistence k rostlinným virům je často založena na programované smrti buněk (apoptóze) nacházejících se v či blízko místu vstupu viru - tj. na hypersenzitivní reakci. Díky rozvoji vědeckého poznání byly nalezeny látky, které hrají v indukci obranné (imunitní) reakce rostlin velmi důležitou roli - tzv. elicitory. Rozpoznáváme tzv. biologickou imunizaci (ošetření rostlin oslabenou kulturou patogenu či jejich metabolity) a chemickou imunizaci (látky aktivující obrannou reakci - obvykle aktivují kaskádu obranných odpovědí a indukují systematickou rezistenci.

Jedním ze zajímavých elicitorů je zirkon, který se získává z třapatkovky nachové (Echinacea purpurea; Obr. 1, 5). Zirkon indukuje rezistenci vůči řadě rostlinných nemocí, a to včetně viróz (např. PVY u bramboru). Rostlinné polyfenoly a flavonoidy prokázaly vysokou efektivitu v potlačení kostlivých virových infekcí (např. virus tabákové mozaiky, X-virus bramboru, virus kroužkovitosti rajčete). Také chitosan (přírodní látka získávaná z chitinu z exoskeletů mořských korýšů; přítomen je také v buněčné stěně některých hub, jako je hlíva ústřičná - Pleurotus ostreatus, Obr. 6; plísně rodu Mucor, M. rouxii či M. mucedo) prokázal účinné potlačení virové infekce PVY bramboru. Obdobně byla ukázána efektivita steroidních glykosidů vůči virům (např. viru tabákové mozaiky).
Předmětem intenzivního výzkumu je i použití mikrobiálních látek pro indukci systémové rezistence vůči virózám. Např. izoláty různých bakteriálních kultur rodů Pseudomonas či Bacillus prokázaly signifikantní zvýšení obrany rostlin nejen vůči virózám, ale i bakteriálním a houbovým chorobám.

Využití účinných elicitorů vůči virovým chorobám v zemědělství má slibné výsledky a mohlo by být přínosné a environmentálně přijatelné ve srovnání s dosud levnější ochranou pomocí biocidních přípravků, protože elicitory aktivují mechanismy přirozené obrany rostlin, a to nejen vůči virům, ale i dalším patogenům, které se mohou na poli vyskytovat.

Elicitor - sloučenina schopná stimulovat tvorbu jiné sloučeniny uvnitř organismu. Elicitory (oproti hormonům) nejsou součástí organismu, který stimulovanou sloučeninu produkuje - elicitory jsou tedy vnější signální aktivátory tvorby dané sloučeniny. Např. chitosan (chitin s deacetylací nad 50 %) se uplatňuje jako elicitor rostlinné obrany vůči škůdcům rostlin.

Hammerhead ribozym - patří mezi skupinu ribozymů (RNA enzym; RNA katalyzující štěpení RNA). Je pojmenovaný dle podobnosti sekundární struktury RNA motivu s tvarem kladivouna (hammerhead shark). Tento ribozym štěpí vlastní vlákno RNA. Hammerhead ribozym se často nachází i u retrotranspozonů. Existují ovšem i uměle vytvořené konstrukty tohoto ribozymu, které štěpí jiné vlákno RNA, a tak mohou provádět štěpení opakovaně s kinetikou odpovídající kinetice proteinových enzymů. Tyto uměle vytvořené konstrukty se využívají v in vitro experimentech.

Virus - nebuněčná částice, obsahuje genetickou informaci (DNA či RNA), která je uložena v kapsidě (proteinový plášť).

Viroid je tvořen malou (250-600 nukleotidů) cirkulární autokatalytickou ribonukleovou kyselinou (RNA), která nekóduje žádný protein, viroid tedy nemá kapsidu. RNA sekvence obsahuje motiv tzv. hammerhead ribozym. Viroidy způsobují podobná onemocnění jako viry (např. zakrslost, deformace listů, skvrny) a způsobují viroidová onemocnění např. brambor, rajčat, chmele, citrusů či avokáda.

Virusoid (satelit rostlinných RNA virů; např. satelitní RNA viru tabákové mozaiky - satTMV RNA) je tvořen cirkulární jednovláknovou RNA (200-400 nukleotidů) nekódující žádný protein. Někdy se popisuje jako viroid, který je obalený kapsidou pomocného viru. Oproti viroidu je tedy jeho replikace závislá na fytoviru. RNA sekvence obsahuje motiv tzv. hammerhead ribozym. Díky využívání aparátu hostitelského viru mohou virusoidy často příznaky virové infekce zmírňovat, ale jsou popsány i případy zhoršení příznaků.

Názvy chorob vs. názvy původců - pečlivý čtenář si jistě povšimnul, že názvy některých virů (např. WDV - wheat dwarf virus = virus zakrslosti pšenice) neodpovídají názvu virem způsobených chorob - tj. názvu viróz (např. virová zakrslost obilnin). Názvy byly v roce 2010 schváleny Odborem rostlinolékařství České akademie zemědělských věd jako závazné pro používání v publikacích. Dříve se viróza uvedená v příkladu všeobecně nazývala virová zakrslost pšenice, což lze dohledat i ve starších textech. Obdobně onemocnění virem šarka by se dle názvosloví mělo nazývat „virová neštovičnost slivoně“.

Popisy k obrázkům

Obr. 1. Třapatkovka anchová (Echinacea purpurea)
Obr. 2. Srovnání rostlin napadených virem WDV (infekce na podzim 2024) a nenapadených (kontrola). Rostliny pěstované ve venkovním prostředí byly v únoru 2025 přeneseny do kontrolovaných podmínek na 21 dní (18 °C; 16h fotoperioda).
Obr. 3. Nádobový pokus s virem WDV - srovnání různého stavu v dubnu po zimě 2024/25 virózních rostlin infikovaných na podzim 2024. První tři květináče zleva obsahují rostliny napadené virem a poslední rostlina je neinfikovaná kontrola.
Obr. 4. Houba Polymyxa betae je přenašečem virové rizomanie řepy, která výrazně snižuje cukernatost.
Obr. 5. Jedním z elicitorů je zirkon, který se získává z třapatkovky nachové.
Obr. 6. Elicitor chitosan se získává z chitinu korýšů i z hlívy ústřičné.

K dalšímu čtení:

Kosová K. a další (2024): Nové poznatky týkající se rezistence pšenice k viru zakrslosti pšenice (WDV). Obilnářské listy, 32(3-4): 71-73.
Anikina I. A další (2023): Plant protection from virus: a review of different approaches. Frontiers in Plant Science, 14: 1163270.

Práce byl podpořena projektem Ministerstva zemědělství ČR QL24010142.

Autor:
Mgr. Pavel Vítámvás, Ph.D.
Laboratoř biologie stresu a biotechnologie ve šlechtění, Výzkumný ústav rostlinné výroby

Foto: (1, 2) Pavel Vítámvás; (3) Nicolas Desoignies; (4) Zdeňka Navrátilová; (5) Chris Johnson, iStock

Celý článek ke stažení v pdf zde: Vítámvás, NB 2025/1

Další zajímavé informace z vědeckého výzkumu si přečtete v tištěné či e-verzi časopisu Nová Botanika 2025/1.

Objevujte praktické zajímavosti z výzkumu rostlin

s časopisem Nová Botanika

O nás

O časopise

Předplatné