Virologia vegetale

Virologia vegetale

Storia del virus

"Virus", il cui significato è veleno, è un termine derivante da un testo medico del I sec. d.C. Il primo virus studiato è stato il virus del mosaico del tabacco, che causa scolorazioni verdi e gialle a mosaico nelle foglie. Viene studiato da Adolf Mayer nella seconda metà del 1800, che dimostra che piante sane inoculate con il succo di piante malate riproducevano la sintomatica.

Dimitri Iwanoski dimostra che il succo rimaneva infettivo anche dopo essere stato filtrato con candele di Chamberland (candele per sterilizzare H₂O). Viene ipotizzata la natura tossica del succo. Baur dimostra che la variegatura, dovuta ad una malattia, dell'abutilon (pianta) si può trasmettere per innesto. Bejerick e Baur usano il termine virus. Tra 1900 e 1935 vengono descritte molte malattie dovute a virus anche se non vengono descritti gli agenti causali.

Allard definisce l'host range (gamma di piante ospiti che sono infette e che possono essere infettive e che possono essere usate per inoculare le malattie in altre). Doolittle trasmette "cucumber mosaicum virus" tramite afidi. Si dimostra che i virus stimolano il sistema immunitario. Si dimostra che i virus sono proteine autocatalitiche contenenti un acido nucleico e che necessitano dell'apparato di una cellula. Viene quindi definita la natura nucleoproteica dei virus. Helmet Ruska: prima visione di virus tramite microscopio.

Viene scoperta la possibilità di trasmissione da ospite arboreo ad erbaceo e viceversa. Nel 1950: utilizzo di trattamenti ad aria calda e acqua calda per ridurre e sfavorire la riproduzione dei virus in piante. Viene scoperta la funzione genetica del DNA. Nel 1960: viene scoperta la possibilità di trasmissione di virus tramite funghi. Sheperd: dimostra che i virus delle piante possono essere sia a DNA che RNA. Nel 1971: Diener scopre il viroide. Scoperta dell'RNA polimerasi e del DNA dipendente. Nel 1982: studio di proteine codificate nei virus implicate nella traslocazione. "Nascita" della Bioingegneria.

Danno diretto e indiretto delle infezioni nelle colture

I virus (e le conseguenti malattie) delle piante sono sempre più diffusi nel mondo intero anche a causa dei continui scambi commerciali. Facciamo un esempio di questi virus:

• PPV: plum pox virus (causa anulature e caduta prematura dei frutti)

1: Categoria o pianta infetta 2: Sintomo.

Cause possibili di infezioni ed eventuali epidemie virali nelle piante:

• La specializzazione delle colture, cioè la concentrazione di piante della stessa specie e/o cultivar in ampie zone è una delle cause possibili di infezioni e/o epidemie virali nelle piante. Un agente di malattia, il virus o altri patogeni, possono essere trasportati da semi, insetti, ecc., e causare malattie e epidemie dovute all'omogeneità genetica delle piante coltivate.
• L'abbandono di ospiti naturali da parte di insetti vettori è un'altra causa di infezione; a seguito di bonifiche, disboscamenti e messe a coltura, artropodi (insetti vettori), in assenza di nutrimenti, migrano alla ricerca di cibo. Si riversano dunque nelle colture (o muoiono).
• Non esistono piante e colture completamente immuni ai virus e alle loro malattie.

Alcuni tipi di danno diretto o indiretto indotto dalle infezioni virali nei vegetali:

• Riduzioni di crescita e di vigore delle piante infette: fallimento della coltura, riduzione della produzione, declino produttivo veloce (specialmente nelle piante legnose da frutto) e maggiore predisposizione ad agenti patogeni e fisiopatie.
• Riduzione della qualità del valore di mercato della produzione: può essere dovuta ad alterazioni delle caratteristiche organolettiche o di composizione (es. contenuto in proteine zuccheri ecc.), specialmente nei frutti e semi, scarsa o nulla possibilità di utilizzazione del materiale per la propagazione.
• Precauzione: costi per la prevenzione delle infezioni: misure igieniche precauzionali, lotta ai vettori, acquisto di materiale di propagazione virus-controllato, certificazioni per l'esportazione.

Tipi di virus

I virus sono causa di malattia in tutti gli organismi viventi e perciò troviamo diversi tipi di virus:

• Virus associati ai batteri (batteriofagi)
• Virus associati ai funghi
• Virus associati agli animali
• Virus associati alle piante

I virus delle piante si manifestano con diverse sintomatiche nell'ospite: anulature (sia sul frutto che sulla noce), scolorazioni, mosaici, bitorzoli. I virus delle piante non infettano gli animali (compreso l'uomo).

Caso della Nuova Zelanda

La Nuova Zelanda è un Paese isolato con moderna agricoltura e orticoltura. Gli europei introdussero molte specie spontanee e colture. Nel 1990 si scoprono più di 139 tipologie di virus, provenienti soprattutto da Nord Europa, Nord America e Australia, che furono introdotti con le piante. Inoltre, vennero introdotte numerose specie di afidi (poche le specie endemiche) che si rivelarono portatori di virus.

Generalità

Il virus storicamente ha avuto più definizioni ed è stato soggetto di argomentazioni molto dibattute. Seguentemente sono descritte in diverse forme caratteristiche e definizioni (strettamente più biologiche o chimiche). Il virus può essere visto come set di una o più molecole di acido nucleico normalmente incapsulati in una struttura protettiva proteica o lipoproteica (entità vitale). Il virus è in grado di organizzare la propria replicazione in appropriate cellule ospiti. La replicazione avviene normalmente in tessuti specifici o in cellule specifiche. Questo non vuol dire che non siano presenti in altre zone ma che organizza la propria replicazione esclusivamente in alcune zone specifiche. Entro la cellula la replicazione è dipendente dal meccanismo di sintesi dell’ospite (cellula stessa). Quando è al suo interno, il virus dipende dalle componenti prodotte dalla cellula per lui. Quando è nell’ospite il virus impone, mediante il proprio acido nucleico, quello che la cellula deve produrre.

La replicazione è:

• Organizzata da un pool di materiale;
• È localizzata in siti non separati dalla cellula da membrana bilayer;
• Porta a varianti attraverso scambi di acido nucleico mediante fenomeni di mutazione e ricombinazione fra i ceppi virali (non fra virus e cellula come nei virus animali).

Il virus si trasmette orizzontalmente tra ospiti, ovvero da un individuo ad un altro (nello spazio) e, a volte, anche in modo generazionale (verticale ovvero nel tempo, es. si mantiene nei semi). Inoltre, il virus causa una malattia in almeno un ospite anche se non necessariamente ci sono sintomi nonostante ci sia il virus (eccezione Cryptovirus: raramente causano malattia, sono trasmessi solo per seme o polline).

Definizione di virus

Entità biologica ultramicroscopica (va al di là del microscopio ottico) costituita da una o più molecole di DNA o RNA racchiuse da involucro proteico o lipoproteico, capaci di organizzare la loro replicazione in una appropriata cellula ospite. I virus sono quindi parassiti (sono biotrofi e non necrotrofi) molecolari obbligati di cellule ospiti specifiche (anche di famiglie e specie diverse ma non fra regni diversi) in quanto sono in grado di mettere la cellula al loro servizio e necessitano di un ospite vivo per riprodursi. L'host range può essere ampio o ristretto a seconda del tipo di virus (può persino essere specifico di una singola coltura).

Esiste un acceso dibattito per rispondere alla domanda: i virus sono esseri viventi? Ciò che si può dire è che sono a tutti gli effetti esseri viventi all'interno dell'ospite, mentre li consideriamo materiale inerte quando sono all'esterno. Sono quindi entità vitali.

Differenza fra virus e plasmidi

Plasmidi: elementi genetici autonomi extracromosomici trovati in molti batteri. Hanno DNA circolare che talvolta si integra nel cromosoma ospite e si replica con esso. Anche alcuni virus hanno DNA che si integra. Virus hanno particella con struttura che protegge l’acido nucleico e in taluni casi riconoscono la cellula ospite a differenza dei plasmidi; il genoma virale è organizzato per specifiche funzioni sconosciute alla cellula ospite, i plasmidi sono costituiti da materiale genetico spesso utile alla sopravvivenza della cellula ospite. Virus portano a morte o malattia la cellula mentre i plasmidi no.

Criteri che distinguono i virus da tutte le cellule

• Non c'è membrana continua che separa virus e ospite durante la replicazione;
• Non c'è sistema di sintesi proteica;
• Replicazione di virus avviene per sintesi di pool di componenti e assemblaggio (anche la più piccola cellula si moltiplica per scissione binaria);
• Dipendono dalla cellula ospite per gli amminoacidi.

Inquadramento sistematico dei virus

Un virus è definito come un’entità biologica costituita da una o più molecole di RNA o DNA (a seconda del virus), che contengono l’informazione per la sintesi di proteine virali e servono da stampo per la formazione di nuove molecole di acido nucleico, racchiuse in un involucro protettivo di natura proteica o lipoproteica, capaci di organizzare la loro replicazione solamente all’interno di un’appropriata cellula ospite. Essi non hanno un’organizzazione cellulare, mancano di ribosomi e degli enzimi che catalizzano il rilascio di energia dalle molecole di ATP e, dunque sono privi di attività fisiologiche e biochimiche proprie. Per questi motivi i virus non possono essere considerati viventi. [secondo la professoressa possono essere considerate entità vitali perché permangono nella materia e sono “vivi” nel momento in cui è esistente un ospite (parassita obbligato)]

Il loro meccanismo di replicazione dipende completamente dal meccanismo di sintesi proteica e dai nucleotidi della cellula ospite e avviene tramite la sintesi e l’assemblaggio dei costituenti virali. Non sono delimitati da membrana e la loro replicazione avviene direttamente a contatto con i costituenti cellulari. I virus che infettano le piante, inoltre, vengono chiamati fitovirus.

Caratteristiche dei fitovirus

I fitovirus differiscono dai virus animali per alcuni aspetti significativi. I primi infatti hanno le seguenti caratteristiche:

• Di norma non penetrano in modo autonomo all'interno delle cellule, mentre molti dei virus degli animali sono provvisti di siti specifici per l'attacco;
• Necessitano di specifiche proteine per passare da una cellula all'altra attraverso i plasmodesmi o strutture tubulari intercellulari e per diffondersi all'interno dell'ospite tramite gli elementi conduttori. Le cellule vegetali, diversamente dalla gran parte delle cellule animali, sono circondate da parete rigida, la quale costituisce una barriera insuperabile per i virus. Un’addizionale barriera protettiva per tutte le parti del vegetale è rappresentata dal tessuto epidermico e dal suo rivestimento verso l’esterno con materiale cuticolare;
• Nei fitovirus l’acido nucleico ha dimensione molto limitata e solo in pochi casi contiene un’informazione genetica sufficiente a codificare più di 12 proteine;
• Nei fitovirus alcune specie sono costituite da particelle (virioni) di forma tubulare, altre specie hanno particelle rotondeggianti o bacilliformi;
• Nei fitovirus con genoma costituito da più molecole di RNA queste solitamente sono racchiuse in particelle distinte, per cui per l’infezione occorre che più tipi di particelle penetrino all’interno di una cellula ospite.

Altri parassiti cellulari

• Micoplasmi: non sono visibili al microscopio ottico (cellule 150-300 nm), hanno membrana bilayer, non hanno parete cellulare, hanno ribosomi e DNA, si moltiplicano per scissione binaria, alcuni crescono in vitro, crescita inibita da antibiotici (tetracicline).
• Ricchezie: cellule piccole (300 nm), hanno parete e membrana cellulare, hanno ribosomi, DNA e enzimi per produzione di ATP, si moltiplicano per scissione binaria.
• Clamidie: sono parassiti obbligati, si dividono per scissione binaria.

Termini utilizzati per descrivere i virus

* Il termine virione indica una particella virale strutturalmente completa.

** Il nucleocapside corrisponde al capside più l’acido nucleico. Il nucleocapside è costituito da unità morfologiche chiamati capsomeri costituiti a loro volta da unità strutturali. Il termine va bene come sinonimo di virus costituiti solo da genoma e proteine e non quelli con “envelope”.

Capside

La proteina del capside (coat protein) è l'unità base della struttura dei virus. Le sue funzioni sono di protezione dell’acido nucleico e interazione specifica con l’acido nucleico nel packaging, con la cellula e con vettori. Il capside è un assemblaggio di numerose piccole molecole proteiche (20-60 kDa) identiche o di pochi tipi. È la ripetizione di uno stesso modello organizzativo di base a costituire una struttura regolare e simmetrica in modo da consentire la massima stabilità e la migliore organizzazione nello spazio. Le molecole proteiche sono di uno o pochi tipi perché i virus hanno un genoma limitato (è conveniente per i virus tradurre un piccolo gruppo di proteine). I vantaggi di assemblare molecole identiche sono quello di avere ridotte informazioni genetiche e ridotti errori. Eventuali danneggiamenti raramente distruggono il peptide.

L'involucro proteico che racchiude il genoma, il capside, è costituito dalla ripetizione di subunità proteiche, dette capsomeri, a loro volta formate dalla ripetizione di una, due o più proteine, esso conferisce forma e stabilità alla particella virale e protegge il suo genoma. Sopra ad esso si trova un rivestimento lipoproteico, detto pericapside, nel quale si trovano anche glicoproteine di membrana.

Struttura del virione

• Struttura icosaedrica: È una struttura apparentemente sferica, ma realmente a forma di un icosaedro regolare (20 facce a triangolo equilatero). L'icosaedro è un solido, formato da triangoli equilateri, che presenta 12 vertici, 20 facce costituite da triangoli equilateri e 30 spigoli corrispondenti ai lati dei triangoli, mentre i vertici sono i punti di incontro dei lati. Questa struttura cristallografica deriva dall'unione regolare di più proteine; ognuna di esse è chiamata monomero e questi monomeri si possono unire a cinque a cinque formando i pentoni, oppure - nei virus più grandi - a 6 a 6 formando i cosiddetti esoni. L'associazione di pentoni ed esoni forma l'icosaedro, al cui interno si trova il materiale genetico. Il più piccolo è un virus satellite di 17 nm di diametro; il ByDV ha diametro di 24 nm.
• Forma allungata (elicoidale):
  • Possono essere di tipo Rod Shaped (a bastoncino rigido), i quali hanno 20-25 nm di diametro e circa 100-300 nm di lunghezza. Questi appaiono rigidi e spesso hanno un canale centrale chiaro (a seconda del metodo di colorazione utilizzato). Un esempio è il virus del mosaico del tabacco che è un rod shaped cavo all’interno di cui dobbiamo considerare 2 dimensioni: lunghezza di 300 nm e diametro 18 nm. Altre dimensioni e caratteristiche: raggio del foro interno 2 nm (20 Armstrong); 4 nm raggio dell’acido nucleico RNA+ incastonato fra i capsomeri per tutta la lunghezza; per ogni capsomero ci sono 3 nucleotidi. Una spira rispetto all’altra ha un passo di 2,3 nm, ripetitività nell’agglomerazione ogni 3 giri dell’elica (ogni 49 capsomeri): ripetitività di 6,9 capsomeri.
  • Poi possono essere flessuosi, i quali hanno il passo dell’elica più lasso, sono in genere più lunghi, hanno dei capsomeri con un più alto peso molecolare, diametro più piccolo rispetto ai Rod Shaped, possono essere molto lunghi (1000 nm) ma spesso sono più fragili.
  • Si possono citare strutture geminate, particelle isomeriche.
  • L’ultimo gruppo è quello dei bacilliformi, ovvero virus complessi, fitovirus (appartengono alla stessa famiglia dei virus animali) con struttura lipoproteica. Hanno una forma elissoidale allungata e si suddividono in citorabdovirus o nucleorabdovirus (a seconda da dove prendono la membrana lipoproteica). I rabdovirus presentano esternamente glicoproteine di 70 kilodalton, presentano una serie di proteine in più, la particella virale deve portare la proteina funzionale collegata al rivestimento dell’acido nucleico. La complessità è molto simile a quella dei virus animali.

Genoma dei virus

Il genoma definisce i caratteri e tutto ciò di cui ha bisogno il virus per espletare un processo infettivo e la capacità di potersi replicare. La maggior parte dei fitovirus è a RNA ma sono presenti anche quelli a DNA. I fitovirus a RNA sono formati da unità ripetitive dette nucleotidi: queste sono formate da uno zuc.