Phytoplasma - Phytoplasma

Phytoplasma
	Fylody indukovaná infekcí phytoplasmou na třapatce ( Echinacea purpurea )
Vědecká klasifikace
Doména:	Bakterie
Kmen:	Tenericutes
Třída:	Mollicutes
Objednat:	Acholeplasmatales
Rodina:	Acholeplasmataceae
Rod:	' Candidatus Phytoplasma'
Druh
	Ca. Phytoplasma allocasuarinae Marcone et al., 2004; Ca. Phytoplasma americanum Lee et al., 2006; Ca. Phytoplasma asteris Lee et al., 2004; Ca. Phytoplasma aurantifolia Zreik et al., 1995; Ca. Phytoplasma australiense Davis et al., 1997; Ca. Phytoplasma australesia White et al., 1998; Ca. Phytoplasma balanitae Win et al., 2012; Ca. Phytoplasma brasiliense Montano et al., 2001; Ca. Phytoplasma caricae Arocha et al., 2005; Ca. Phytoplasma castaneae Jung et al., 2002; Ca. Phytoplasma cirsii Safarova et al., 2016; Ca. Phytoplasma cocosnigeriae IRPCM, 2004; Ca. Phytoplasma cocostanzaniae IRPCM, 2004; Ca. Phytoplasma convolvuli Martini et al., 2012; Ca. Phytoplasma costaricanum Lee et al., 2001; Ca. Phytoplasma cynodontis Marcone et al., 2004; Ca. Phytoplasma fragariae Valiunas et al., 2006; Ca. Phytoplasma fraxini Griffiths et al., 1999; Ca. Phytoplasma graminis Arocha et al., 2005; Ca. Phytoplasma hispanicum Davis et al., 2016; Ca. Phytoplasma japonicum Sawayanagi et al., 1999; Ca. Phytoplasma luffae Davis et al., 2017; Ca. Phytoplasma lycopersici Arocha et al., 2007; Ca. Phytoplasma malasianum Nejat et al., 2012; Ca. Phytoplasma mali Seemüller et al., 2004; Ca. Phytoplasma meliae Fernandez et al., 2016; Ca. Phytoplasma noviguineense Miyazaki et al., 2017; Ca. Phytoplasma omanense Saddy a kol., 2008; Ca. Phytoplasma oryzae Jung et al., 2003; Ca. Phytoplasma palmicola Harrison et al, 2014; Ca. Phytoplasma phoenicium Verdin et al., 2003; Ca. Phytoplasma pini Schneider et al., 2005; Ca. Phytoplasma pruni Davis et al., 2013; Ca. Phytoplasma prunorum Seemüller et al., 2004; Ca. Phytoplasma pyri Seemüller et al., 2004; Ca. Phytoplasma rhamni Marcone et al., 2004; Ca. Phytoplasma rubi Franova a kol. 2016; Ca. Phytoplasma sacchari Kirdat et al. 2020; Ca. Phytoplasma solani Qualino et al., 2013; Ca. Phytoplasma spartii Marcone et al., 2004; Ca. Phytoplasma sudamericanum Davis et al., 2012; Ca. Phytoplasma stylosanthis Jardim et al. 2020; Ca. Phytoplasma tamaricis Zhao et al., 2009; Ca. Phytoplasma trifolii Hikuri et al., 2004; Ca. Phytoplasma ulmi Lee et al., 2004; Ca. Phytoplasma vitis Marzorati a kol. 2006; Ca. Phytoplasma wodyetiae Narderali et al., 2017; Ca. Phytoplasma ziziphi Jung et al., 2003;

Fytoplasmy jsou obligátní intracelulární paraziti tkáně rostlinného floému a hmyzích vektorů, které se podílejí na jejich přenosu z rostliny na rostlinu. Fytoplasmy byly objeveny v roce 1967 japonskými vědci, kteří je nazvali organismy podobnými mykoplazmám . Od svého objevu fytoplazmy odolávaly všem pokusům o kultivaci in vitro v jakémkoli médiu bez buněk; rutinní kultivace v umělém médiu tak zůstává velkou výzvou. Fytoplasmy se vyznačují nedostatkem buněčné stěny , pleiomorfním nebo vláknitým tvarem, průměrem obvykle menším než 1 μm a velmi malým genomem .

Fytoplasmy jsou patogeny zemědělsky významných rostlin, včetně kokosových ořechů , cukrové třtiny a santalového dřeva , u nichž způsobují celou řadu příznaků od mírného žloutnutí až po smrt. Fytoplasmy jsou nejrozšířenější v tropických a subtropických oblastech. Přenášejí se z rostliny na rostlinu pomocí vektorů (běžně hmyzu sajícího mízu, jako jsou například listonožci ), ve kterých oba přežijí a replikují se .

Dějiny

Odkazy na choroby, o nichž je nyní známo, že jsou způsobeny fytoplazmaty, lze nalézt již v roce 1603 ( morušová trpasličí choroba v Japonsku .) Původně se předpokládalo, že tato onemocnění jsou způsobena viry , které, stejně jako fytoplasmy, vyžadují hmyzí vektory a nelze je kultivovat . Virové a fytoplazmatické infekce sdílejí některé příznaky. V roce 1967 byly fytoplazmy objeveny v ultratenkých částech tkáně rostlinného floému a díky své fyziologické podobnosti byly označovány jako organismy podobné mykoplazmám. Organismy byly v roce 1994 na 10. kongresu Mezinárodní organizace pro mykoplazmologii přejmenovány na fytoplazmy .

Morfologie

Fytoplasmy jsou Mollicutes , které jsou vázány spíše trojvrstvou membránou než buněčnou stěnou. Dosud studované membrány buněk fytoplazmy obvykle obsahují jeden imunodominantní protein neznámé funkce, který tvoří většinu proteinu v membráně. Typická fytoplasma má pleiomorfní nebo vláknitý tvar a průměr menší než 1 μm. Fytoplazmatická DNA je stejně jako ostatní prokaryota distribuována v cytoplazmě , místo aby byla koncentrována v jádře.

Příznaky

Fytoplasmy mohou infikovat a způsobit různé příznaky u více než 700 druhů rostlin. Jedním z charakteristických příznaků je abnormální vývoj květinové orgánů včetně phyllody , (tj, při jejichž výrobě listu -Jako struktur namísto květin ) a virescence (tj vývoj ekologických květinami přiřaditelných ke ztrátě pigmentu okvětních buňky). Kvetoucí rostliny nesoucí fytoplazmu mohou být přesto sterilní . Exprese genů zapojených do udržování apikálního meristému nebo do vývoje květinových orgánů se mění v morfologicky ovlivněných květinových orgánech rostlin infikovaných phytoplasmou.

Fytoplasmatická infekce často spouští žloutnutí listů, pravděpodobně v důsledku přítomnosti buněk phytoplasma ve floemu, což může ovlivnit funkci floemu a transport uhlohydrátů , inhibovat biosyntézu chlorofylu a spustit rozpad chlorofylu. Tyto příznaky lze přičíst spíše stresu způsobenému infekcí než konkrétnímu patogenetickému procesu.

Mnoho rostlin infikovaných fytoplazmou si díky změnám v jejich normálních růstových vzorech vytvoří huňatý nebo „ čarodějnický koště “. Většina rostlin vykazuje apikální dominanci, ale infekce může vyvolat proliferaci axilárních (bočních) výhonků a zmenšení velikosti internodů. Takové příznaky jsou ve skutečnosti užitečné při komerční produkci vánočních hvězd . Infekce spouští větší produkci axilárních výhonků; rostliny vánoční hvězdy tak produkují více než jeden květ.

Efektorové (virulenční) proteiny

Mnoho rostlinných patogenů produkuje faktory virulence (tj. Efektory), které modulují nebo interferují s normálními hostitelskými procesy ve prospěch patogenů. V roce 2009 byl z fytoplazmy identifikován sekretovaný protein, nazývaný „induktor tengu-su“ (TENGU; C0H5W6 ), způsobující žloutnutí cibule ; toto byl první popsaný faktor fytoplazmatické virulence. TENGU vyvolává charakteristické příznaky (nazývané „tengu-su“), včetně koště čarodějnic a zakrslosti. Transgenní exprese TENGU v rostlinách Arabidopsis vyvolala sterilitu samčích a samičích květů. TENGU obsahuje signální peptid na svém N-konci; po štěpení má zralý protein délku pouze 38 aminokyselin. Přestože jsou fytoplazmy omezeny na floém, TENGU je transportován z floému do jiných buněk, včetně apikálních a axilárních meristémů. Bylo navrženo, aby TENGU inhiboval cesty související s auxinem a kyselinou jasmonovou, čímž ovlivňuje vývoj rostlin. Překvapivě N-koncová 11 aminokyselinová oblast zralého proteinu spouští vývoj symptomů v rostlinách Nicotiana benthamiana . TENGU prochází proteolytickým zpracováním rostlinnou serinovou proteázou in vivo , což naznačuje, že pozorované symptomy indukuje samotný N-koncový peptid (tj. Fragment 11 aminokyselin). Homologové TENGU byli identifikováni u fytoplazmat skupiny AY. Všechny tyto homology procházejí zpracováním a mohou indukovat symptomy, což naznačuje, že mechanismus vyvolávající symptomy je mezi homology TENGU zachován.

V roce 2009 bylo v genomu kmene Aster Yellows phytoplasma Witches Broom (AY-WB) identifikováno 56 genů pro sekretované proteiny; tyto byly pojmenovány sekretované AY-WB proteiny (SAP) a považovány za efektory. Také v roce 2009 bylo ukázáno, že efektor SAP11 cílí na jádra rostlinných buněk a uvolňuje se z floemových buněk v rostlinách infikovaných AY-WB. Bylo zjištěno, že SAP11 indukuje proliferaci kmenů a změny tvarů listů rostlin; proliferace kmenů indukovaná SAP11 připomíná symptomy čarodějnických košťat rostlin infikovaných AY-WB. Kromě toho bylo prokázáno, že SAP11 interaguje a destabilizuje transkripční faktory domény proteinu TCP třídy II rostliny, které vedou k proliferaci výhonků a změnám tvaru listu. Kromě regulace vývoje rostlin řídí TCP také expresi genů lipoxygenázy potřebných pro biosyntézu jasmonátu . Hladiny jasmonátu jsou sníženy v rostlinách Arabidopsis infikovaných fytoplazmou a rostlinách, které transgenně exprimují efektor AY-WB SAP11. Snížení produkce jasmonátu je prospěšné pro fytoplazmy, protože jasmonát se podílí na obraně rostlin před býložravým hmyzem, jako jsou listonožci . Listníčci kladou zvýšený počet vajíček na rostliny infikované AY-WB, alespoň částečně kvůli produkci SAP11. Například listonos Macrosteles quadrilineatus snesl o 30% více vajec na rostliny, které exprimují transgenicky SAP11 než kontrolní rostliny, a o 60% více vajec na rostliny infikované AY-WB. Fytoplazmy nemohou přežít ve vnějším prostředí a jsou závislé na přenosu hmyzu, jako jsou například listy, do nových (zdravých) rostlin. Tím, že kompromituje produkci jasmonátu, SAP11 „povzbuzuje“ křídlatky, aby snášely více vajíček na rostliny infikované phytoplasmou, čímž zajistí, aby se nově vylíhlé nymfy listonožců živily infikovanými rostlinami, aby se staly vektory fytoplasmy. Efektory SAP11 jsou identifikovány v řadě odlišných fytoplazmat a tyto efektory také interagují s TCP a modulují obranu rostlin. SAP11 je první protein virulence fytoplasmy, u kterého byly identifikovány cíle rostlin a efektorové funkce (tj. Důkaz prospěšnosti pro patogen). Bylo zjištěno, že na TCP se zaměřuje řada dalších efektorů patogenů.

Ukázalo se, že AY-WB fytoplazmatický efektor SAP54 indukuje virescenci a fylody, když je exprimován v rostlinách, a homology tohoto efektoru byly nalezeny alespoň ve třech dalších fytoplazmách. Dva homology SAP54, PHYL1 fytoplazmy cibule žluté a PHYL1 _PnWB fytoplazmy arašídových čarodějnic, také indukují květinové abnormality podobné phyllody. Tyto výsledky naznačují, že PHYL1, SAP54 a jejich homology tvoří genovou rodinu indukující fylody, jejíž členové jsou označováni jako fylogeny. Transkripční faktory MADS-box (MTF) modelu ABCE hrají klíčovou roli ve vývoji květinových orgánů v Arabidopsis . Fylogeny interagují přímo s MTF třídy A a třídy E, což indukuje degradaci proteinu způsobem závislým na ubikvitinu/proteazomu, který alespoň pro SAP54 závisí na interakcích s proteazomovým faktorem RAD23. Zajímavé je, že mutanty RAD23 nevykazují fylody, když jsou infikovány fytoplazmou, což naznačuje, že proteiny RAD23 jsou faktory citlivosti; tj. fytoplazmy a SAP54 vyžadují, aby tyto rostlinné proteiny vyvolaly symptomy fylody. Akumulace mRNA kódujících MTF třídy B, jejichž transkripce je pozitivně regulována MTF třídy A a třídy E, je u Arabidopsis konstitučně exprimujícího PHYL1 drasticky snížena. Fylogeny indukují abnormální vývoj květinových orgánů inhibicí funkcí těchto MTF. Proteiny RAD23 jsou také vyžadovány pro podporu snášení vajíček vektoru listnáče na rostliny, které exprimují SAP54 a jsou infikovány fytoplazmou AY-WB.

Přenos

Pohyb mezi rostlinami

Fytoplasmy se šíří především hmyzem z čeledí Cicadellidae ( listonožci ), Fulgoridae ( saranče ) a Psyllidae (vši skákající), které se živí floem infikovaných rostlin, přijímají fytoplazmy a přenášejí je do další rostliny, kterou se živí. Hostitelský rozsah fytoplazmat je tedy silně závislý na rozsahu vektoru hmyzu. Fytoplasmy obsahují hlavní antigenní protein tvořící většinu proteinů na povrchu buněk. Tento protein se spojuje s komplexy hmyzích mikrofilamentů a věří se, že kontroluje interakce hmyz-fytoplazma. Fytoplasmy mohou přezimovat ve hmyzích vektorech nebo víceletých rostlinách. Fytoplasmy mohou mít na své hmyzí hostitele různé účinky; byly zaznamenány příklady snížené i zvýšené kondice.

Fytoplasmy vstupují do těla hmyzu styletem , procházejí střevem a poté se přesunou do hemolymfy a kolonizují slinné žlázy : celý proces může trvat až 3 týdny. Jakmile jsou fytoplazmy usazeny v hostiteli hmyzu, nacházejí se ve většině hlavních orgánů. Doba mezi požitím hmyzem a dosažením infekčního titru ve slinných žlázách se nazývá doba latence.

Fytoplasmy lze šířit také pomocí dodders ( Cuscuta ) nebo vegetativním množením, jako je roubování tkáně infikované rostliny na zdravou rostlinu.

Pohyb v rostlinách

Fytoplazmy se pohybují uvnitř floému od zdroje ke dřezu a mohou procházet skrz sítovou trubici . Vzhledem k tomu, že se fytoplasmy šíří pomaleji než rozpuštěné látky , a z jiných důvodů je pasivní translokace v rostlinách považována za nedůležitou

Detekce a diagnostika

Před molekulární érou byla diagnostika onemocnění způsobených fytoplasmou obtížná, protože organismy nebylo možné kultivovat. Byly tedy použity klasické diagnostické techniky včetně pozorování symptomů. Byly také studovány ultratenké řezy tkáňové tkáně z rostlin s podezřením na infekce phytoplasmou. Dále bylo použito empirické použití antibiotik, jako je tetracyklin .

Molekulární diagnostické techniky pro detekci fytoplasmy začaly vznikat v 80. letech minulého století a zahrnovaly metody založené na enzymatickém imunosorbentním testu ( ELISA ). Na počátku 90. let byly vyvinuty techniky založené na polymerázové řetězové reakci (PCR): jsou mnohem citlivější než testy ELISA a analýza polymorfismu délky restrikčních fragmentů (RFLP) umožnila přesnou identifikaci různých kmenů a druhů fytoplazmat .

Novější techniky umožňují posoudit úroveň infekce. Jak kvantitativní PCR, tak bioobrazování mohou účinně kvantifikovat titry fytoplasmy v rostlině. Kromě toho je nyní k dispozici izotermická amplifikace zprostředkovaná smyčkou (citlivá, jednoduchá a rychlá diagnostická metoda) jako komerční souprava, která umožňuje detekci všech známých druhů phytoplasmy přibližně za 1 hodinu, včetně kroku extrakce DNA.

Přestože bylo v poslední době hlášeno, že jsou fytoplasmy pěstovány ve specifickém umělém médiu, experimentální opakování musí být dosud hlášeno.

Řízení

Fytoplasmy jsou obvykle kontrolovány šlechtěním a výsadbou odrůd plodin odolných vůči chorobám (možná ekonomicky nejschůdnější možnost) a kontrolou hmyzích vektorů.

Tkáňovou kulturu lze použít k produkci zdravých klonů rostlin infikovaných fytoplazmou. Kryoterapie (tj. Zmrazení vzorků rostlin v kapalném dusíku ) před tkáňovou kulturou zvyšuje pravděpodobnost produkce zdravých rostlin tímto způsobem.

Byly také vyvinuty rostlinné protilátky zaměřené na fytoplasmy .

Tetracykliny jsou bakteriostatické pro fytoplasmy. Při absenci kontinuální aplikace antibiotik se však symptomy onemocnění znovu objeví. Tetracyklin tedy není životaschopným agens pro kontrolu zemědělství, ale používá se k ochraně okrasných kokosových palem.

Genetika

Genomy čtyř fytoplazem byly sekvencovány : „cibule žlutá“, „aster žluté koště, čarodějnic“ ( Candidatus [Ca] phytoplasma asteris), Ca. Phytoplasma australiense a Ca. Phytoplasma Mali. Fytoplasmy mají velmi malé genomy s extrémně malým množstvím G a C nukleotidů (někdy až 23%, což je považováno za spodní práh pro životaschopný genom). Fytoplasma Bermudské trávy má ve skutečnosti velikost genomu pouze 530 kb, jeden z nejmenších známých genomů všech živých organismů. Větší genomy fytoplazmy mají velikost přibližně 1 350 kb. Malá velikost genomu fytoplasmy je přičítána reduktivní evoluci od předků Bacillus / Clostridium . Fytoplasmy ztratily ≥75% svých původních genů, a proto již nemohou přežít mimo hmyz nebo rostlinný floém. Některé fytoplazmy obsahují extrachromozomální DNA, jako jsou plazmidy .

Navzdory svým malým genomům je mnoho predikovaných genů pro fytoplasmu přítomno ve více kopiích. Fytoplasmům chybí mnoho genů kódujících standardní metabolické funkce a nemají žádnou funkční homologní rekombinační cestu, ale mají sekundární transportní cestu. Mnoho fytoplazmat obsahuje dva rRNA operony . Na rozdíl od jiných Mollicutes se triplet kód z UGA se používá jako stop kodon v fytoplazem.

Phytoplasmové genomy obsahují velké množství transpozonů a inzertních sekvencí a také obsahují jedinečnou rodinu opakujících se extragenních palindromů nazývaných PhREPS, pro které není známa žádná role. Předpokládá se však, že struktury kmenové smyčky v PhREPS hrají roli v terminaci transkripce nebo stabilitě genomu.

Taxonomie

Fytoplasmy patří do monotypického řádu Acholeplasmatales . V roce 1992 podvýbor pro taxonomii mollicutů navrhl použití „fytoplazmy“ spíše než „organismů podobných mykoplazmám“ jako odkaz na fytopatogenní mollicuty. V roce 2004 byl přijat generický název phytoplasma a v současné době má status Candidatus (Ca.) (používá se pro bakterie, které nelze kultivovat). Taxonomie fytoplasmy je komplikovaná, protože organismy nelze kultivovat; metody běžně používané ke klasifikaci prokaryot tedy nejsou k dispozici. Phytoplasma taxonomické skupiny jsou založena na rozdílech ve velikosti fragmentů produkovaných restrikčním štěpením s 16S ribozomální RNA sekvence genu ( RFLP ), nebo porovnání DNA sekvencí z 16S / 23S oddělujících oblastí. Skutečný počet taxonomických skupin zůstává nejasný; nedávná práce na počítačově simulovaných restrikčních štěpeních genu 16Sr navrhla až 28 skupin, zatímco jiní navrhli méně skupin, ale více podskupin. Každá skupina obsahuje alespoň jeden Ca. Druhy Phytoplasma, charakterizované výraznými biologickými, fytopatologickými a genetickými vlastnostmi.