Los virus vegetales son virus que tienen el potencial de afectar a las plantas . Al igual que todos los demás virus, los virus vegetales son parásitos intracelulares obligados que no tienen la maquinaria molecular para replicarse sin un huésped . Los virus vegetales pueden ser patógenos para las plantas vasculares ("plantas superiores") .
La mayoría de los virus de plantas tienen forma de bastón , con discos de proteínas que forman un tubo que rodea el genoma viral ; las partículas isométricas son otra estructura común. Rara vez tienen una envoltura . La gran mayoría tiene un genoma de ARN, que suele ser pequeño y de cadena sencilla (ss), pero algunos virus tienen genomas de ARN de doble cadena (ds), ssDNA o dsDNA. Aunque los virus de plantas no se comprenden tan bien como sus contrapartes animales, un virus de planta se ha vuelto muy reconocible: el virus del mosaico del tabaco (TMV), el primer virus que se descubrió. Este y otros virus causan una pérdida estimada de 60 mil millones de dólares estadounidenses en los rendimientos de los cultivos en todo el mundo cada año. Los virus de plantas se agrupan en 73 géneros y 49 familias . Sin embargo, estas cifras se refieren solo a las plantas cultivadas, que representan solo una pequeña fracción del número total de especies de plantas. Los virus en plantas silvestres no se han estudiado bien, pero las interacciones entre las plantas silvestres y sus virus a menudo no parecen causar enfermedades en las plantas hospedantes. [1]
Para transmitirse de una planta a otra y de una célula vegetal a otra, los virus vegetales deben utilizar estrategias que suelen ser diferentes a las de los virus animales . La mayoría de las plantas no se mueven, por lo que la transmisión de planta a planta suele implicar vectores (como los insectos). Las células vegetales están rodeadas de paredes celulares sólidas , por lo que el transporte a través de plasmodesmos es la vía preferida de los viriones para moverse entre las células vegetales. Las plantas tienen mecanismos especializados para transportar ARNm a través de plasmodesmos, y se cree que estos mecanismos son utilizados por los virus ARN para propagarse de una célula a otra. [2] Las defensas de las plantas contra la infección viral incluyen, entre otras medidas, el uso de ARNi en respuesta a ARNdc . [3] La mayoría de los virus vegetales codifican una proteína para suprimir esta respuesta. [4] Las plantas también reducen el transporte a través de plasmodesmos en respuesta a una lesión. [2]
El descubrimiento de los virus de las plantas que causan enfermedades se atribuye a menudo a A. Mayer (1886), que, trabajando en los Países Bajos, demostró que la savia del mosaico obtenida de las hojas de tabaco desarrollaba el síntoma del mosaico cuando se inyectaba en plantas sanas. Sin embargo, la infección de la savia se destruía cuando se hervía. Pensó que el agente causal era una bacteria. Sin embargo, después de una inoculación más amplia con una gran cantidad de bacterias, no logró desarrollar el síntoma del mosaico.
En 1898, Martinus Beijerinck, profesor de microbiología en la Universidad Técnica de los Países Bajos, expuso sus conceptos de que los virus eran pequeños y determinó que la "enfermedad en mosaico" seguía siendo infecciosa cuando pasaba por un filtro de vela de Chamberland . Esto contrastaba con los microorganismos bacterianos , que eran retenidos por el filtro. Beijerinck se refirió al filtrado infeccioso como un " fluido vivo de contagio ", de ahí la acuñación del término moderno "virus".
Tras el descubrimiento inicial del "concepto viral", surgió la necesidad de clasificar otras enfermedades virales conocidas en función del modo de transmisión, aunque la observación microscópica resultó infructuosa. En 1939, Holmes publicó una lista de clasificación de 129 virus de plantas. Esta lista se amplió y en 1999 había 977 especies de virus de plantas reconocidas oficialmente y algunas provisionales.
La purificación (cristalización) del TMV fue realizada por primera vez por Wendell Stanley , quien publicó sus hallazgos en 1935, aunque no determinó que el ARN fuera el material infeccioso. Sin embargo, recibió el Premio Nobel de Química en 1946. En la década de 1950, un descubrimiento realizado simultáneamente por dos laboratorios demostró que el ARN purificado del TMV era infeccioso, lo que reforzó el argumento. El ARN transporta información genética para codificar la producción de nuevas partículas infecciosas.
Más recientemente, la investigación sobre virus se ha centrado en comprender la genética y la biología molecular de los genomas de los virus de plantas , con un interés particular en determinar cómo el virus puede replicarse, moverse e infectar a las plantas. La comprensión de la genética del virus y las funciones de las proteínas se ha utilizado para explorar el potencial de uso comercial por parte de las empresas de biotecnología . En particular, las secuencias derivadas de virus se han utilizado para proporcionar una comprensión de nuevas formas de resistencia . El reciente auge de la tecnología que permite a los humanos manipular los virus de plantas puede proporcionar nuevas estrategias para la producción de proteínas de valor agregado en las plantas.
Los virus son tan pequeños que sólo se pueden observar con un microscopio electrónico . La estructura de un virus está determinada por su capa de proteínas , que rodea el genoma viral . El ensamblaje de las partículas virales se produce de forma espontánea .
Más del 50% de los virus de plantas conocidos tienen forma de bastón ( flexuosos o rígidos). La longitud de la partícula normalmente depende del genoma, pero suele estar entre 300 y 500 nm con un diámetro de 15-20 nm. Las subunidades proteicas se pueden colocar alrededor de la circunferencia de un círculo para formar un disco. En presencia del genoma viral, los discos se apilan y luego se crea un tubo con espacio para el genoma de ácido nucleico en el medio. [5]
La segunda estructura más común entre los virus de plantas son las partículas isométricas . Tienen un diámetro de entre 25 y 50 nm. En los casos en los que solo hay una proteína de cubierta, la estructura básica consta de 60 subunidades T, donde T es un número entero . Algunos virus pueden tener 2 proteínas de cubierta que se asocian para formar una partícula con forma icosaédrica .
Hay tres géneros de Geminiviridae que consisten en partículas que son como dos partículas isométricas pegadas entre sí.
Algunos virus vegetales tienen, además de sus proteínas de recubrimiento, una envoltura lipídica , que se deriva de la membrana celular de la planta cuando la partícula viral se desprende de la célula .
Los virus se pueden propagar por transferencia directa de savia por contacto de una planta herida con una sana. Dicho contacto puede ocurrir durante las prácticas agrícolas, como por daños causados por herramientas o manos, o de forma natural, como por un animal que se alimenta de la planta. Generalmente, el virus del mosaico del pepino, el virus de la papa y el virus del mosaico del pepino se transmiten por savia.
Los virus de las plantas necesitan ser transmitidos por un vector , con mayor frecuencia insectos como las chicharritas . Se ha propuesto que una clase de virus, los Rhabdoviridae , son en realidad virus de insectos que han evolucionado para replicarse en plantas. El insecto vector elegido de un virus de planta a menudo será el factor determinante en el rango de hospedadores de ese virus: solo puede infectar plantas de las que se alimenta el insecto vector. Esto se demostró en parte cuando la mosca blanca del viejo mundo llegó a los Estados Unidos, donde transfirió muchos virus de plantas a nuevos hospedadores. Dependiendo de la forma en que se transmiten, los virus de plantas se clasifican como no persistentes, semipersistentes y persistentes. En la transmisión no persistente, los virus se adhieren a la punta distal del estilete del insecto y en la siguiente planta de la que se alimenta, la inocula con el virus. [6] La transmisión viral semipersistente implica que el virus ingrese al intestino anterior del insecto. Aquellos virus que logran pasar a través del intestino hacia la hemolinfa y luego a las glándulas salivales se conocen como persistentes. Existen dos subclases de virus persistentes: propagativos y circulantes. Los virus propagativos pueden replicarse tanto en la planta como en el insecto (y pueden haber sido originalmente virus de insectos), mientras que los circulantes no pueden. Los virus circulantes están protegidos dentro de los pulgones por la proteína chaperona simbionina, producida por simbiontes bacterianos . Muchos virus de plantas codifican dentro de su genoma polipéptidos con dominios esenciales para la transmisión por insectos. En los virus no persistentes y semipersistentes, estos dominios están en la proteína de la cubierta y en otra proteína conocida como componente auxiliar. Se ha propuesto una hipótesis de puente para explicar cómo estas proteínas ayudan en la transmisión viral mediada por insectos. El componente auxiliar se unirá al dominio específico de la proteína de la cubierta y luego a las piezas bucales del insecto, creando un puente. En los virus propagativos persistentes, como el virus del marchitamiento manchado del tomate (TSWV), a menudo hay una capa lipídica que rodea las proteínas que no se ve en otras clases de virus de plantas. En el caso del TSWV, se expresan 2 proteínas virales en esta envoltura lipídica. Se ha propuesto que los virus se unen a través de estas proteínas y luego son absorbidos por la célula del insecto mediante endocitosis mediada por receptores .
Se ha demostrado que los nematodos transmitidos por el suelo transmiten virus. Los adquieren y transmiten al alimentarse de raíces infectadas . Los virus pueden transmitirse de forma persistente y no persistente, pero no hay evidencia de que los virus puedan replicarse en los nematodos. Los viriones se adhieren al estilete (órgano de alimentación) o al intestino cuando se alimentan de una planta infectada y luego pueden desprenderse durante la alimentación posterior para infectar otras plantas. Los nematodos transmiten virus como el virus de la mancha anular del tabaco y el virus del cascabel del tabaco . [7]
Varios géneros de virus se transmiten, tanto de forma persistente como no persistente, por protozoos zoospóricos transportados por el suelo . Estos protozoos no son fitopatógenos en sí mismos, sino parásitos . La transmisión del virus se produce cuando se asocian con las raíces de las plantas. Los ejemplos incluyen Polymyxa graminis , que se ha demostrado que transmite enfermedades virales de las plantas en cultivos de cereales [8] y Polymyxa betae , que transmite el virus de la vena amarilla necrótica de la remolacha . Los plasmodioforidos también crean heridas en la raíz de la planta a través de las cuales pueden ingresar otros virus.
La transmisión de virus de plantas de generación en generación ocurre en aproximadamente el 20% de los virus de plantas. Cuando los virus se transmiten por semillas, la semilla se infecta en las células generativas y el virus se mantiene en las células germinativas y, a veces, pero con menor frecuencia, en la cubierta de la semilla. Cuando el crecimiento y desarrollo de las plantas se retrasa debido a situaciones como el clima desfavorable, hay un aumento en la cantidad de infecciones de virus en las semillas. No parece haber una correlación entre la ubicación de la semilla en la planta y sus posibilidades de ser infectada. Poco se sabe sobre los mecanismos involucrados en la transmisión de virus de plantas a través de semillas, aunque se sabe que está influenciada por el medio ambiente y que la transmisión de semillas ocurre debido a una invasión directa del embrión a través del óvulo o por una ruta indirecta con un ataque al embrión mediado por gametos infectados. Estos procesos pueden ocurrir simultáneamente o por separado dependiendo de la planta huésped. Se desconoce cómo el virus puede invadir y cruzar directamente el embrión y el límite entre las generaciones parentales y de la progenie en el óvulo. Muchas especies de plantas pueden infectarse a través de las semillas, incluidas, entre otras, las familias Leguminosae , Solanaceae , Compositae , Rosaceae , Cucurbitaceae y Gramineae . El virus del mosaico común del frijol se transmite a través de las semillas.
Hay evidencias tenues de que un virus común en los pimientos, el virus del moteado suave del pimiento (PMMoV), puede haber pasado a infectar a los humanos. [9] Este es un evento raro y poco probable ya que, para entrar en una célula y replicarse, un virus debe "unirse a un receptor en su superficie, y sería muy poco probable que un virus vegetal reconociera un receptor en una célula humana. Una posibilidad es que el virus no infecte directamente a las células humanas. En cambio, el ARN viral desnudo puede alterar la función de las células a través de un mecanismo similar a la interferencia del ARN , en el que la presencia de ciertas secuencias de ARN puede activar y desactivar genes", según el virólogo Robert Garry. [10]
La vida intracelular de los virus de plantas en los huéspedes aún está poco estudiada, especialmente en las primeras etapas de la infección . [11] Muchas estructuras membranosas que los virus inducen a las células vegetales a producir son móviles, y a menudo se utilizan para transportar nuevos viriones dentro de la célula productora y hacia sus vecinas. [11] Los virus también inducen varios cambios en las propias membranas intracelulares de las plantas . [11] El trabajo de Perera et al. 2012 en la infección por virus de mosquitos y varios otros que estudian modelos de levadura de virus de plantas encuentran que esto se debe a cambios en la homeostasis de los lípidos que componen sus membranas intracelulares, incluido el aumento de la síntesis . [11] Estas alteraciones lipídicas comparables informan nuestras expectativas y direcciones de investigación para el área menos entendida de los virus de plantas. [11]
El 75% de los virus de plantas tienen genomas que consisten en ARN monocatenario (ssRNA). El 65% de los virus de plantas tienen +ssRNA, lo que significa que están en la misma orientación de sentido que el ARN mensajero , pero el 10% tienen -ssRNA, lo que significa que deben convertirse a +ssRNA antes de que puedan traducirse. El 5% son ARN bicatenarios y, por lo tanto, pueden traducirse inmediatamente como virus +ssRNA. El 3% requiere una enzima transcriptasa inversa para convertir entre ARN y ADN. El 17% de los virus de plantas son ssDNA y muy pocos son dsDNA, en contraste, una cuarta parte de los virus animales son dsDNA y tres cuartas partes de los bacteriófagos son dsDNA. [13] Los virus utilizan los ribosomas de las plantas para producir las 4-10 proteínas codificadas por su genoma. Sin embargo, dado que muchas de las proteínas están codificadas en una sola cadena (es decir, son policistrónicas ), esto significará que el ribosoma o bien solo producirá una proteína, ya que terminará la traducción en el primer codón de terminación , o bien que se producirá una poliproteína . Los virus de plantas han tenido que desarrollar técnicas especiales para permitir la producción de proteínas virales por parte de las células vegetales .
Para que se produzca la traducción , los ARNm eucariotas necesitan una estructura de capuchón 5' . Esto significa que los virus también deben tener una. Esta normalmente consta de 7MeGpppN donde N normalmente es adenina o guanina . Los virus codifican una proteína, normalmente una replicasa , con una actividad de metiltransferasa para permitir esto.
Algunos virus son ladrones de capuchones. Durante este proceso, un ARNm huésped con capuchón de 7m G es reclutado por el complejo de transcriptasa viral y posteriormente es cortado por una endonucleasa codificada por el virus. El ARN líder con capuchón resultante se utiliza para iniciar la transcripción en el genoma viral. [14]
Sin embargo, algunos virus de plantas no utilizan capuchón, pero se traducen eficientemente debido a los potenciadores de traducción independientes del capuchón presentes en las regiones no traducidas 5' y 3' del ARNm viral. [15]
Algunos virus (por ejemplo, el virus del mosaico del tabaco (TMV)) tienen secuencias de ARN que contienen un codón de terminación "permeable". En el TMV, el 95% de las veces, el ribosoma del huésped terminará la síntesis del polipéptido en este codón, pero el resto del tiempo continúa más allá de él. Esto significa que el 5% de las proteínas producidas son más grandes y diferentes de las otras producidas normalmente, lo que es una forma de regulación de la traducción . En el TMV, esta secuencia adicional de polipéptido es una ARN polimerasa que replica su genoma.
Algunos virus utilizan la producción de ARN subgenómicos para asegurar la traducción de todas las proteínas dentro de sus genomas. En este proceso, la primera proteína codificada en el genoma, y la primera en ser traducida, es una replicasa . Esta proteína actuará sobre el resto del genoma produciendo ARN subgenómicos de cadena negativa y luego actuará sobre estos para formar ARN subgenómicos de cadena positiva que son esencialmente ARNm listos para ser traducidos.
Algunas familias virales, como los Bromoviridae, optan por tener genomas multipartitos , es decir, genomas divididos entre múltiples partículas virales. Para que se produzca la infección, la planta debe estar infectada con todas las partículas del genoma. Por ejemplo, el virus del mosaico del bromo tiene un genoma dividido entre tres partículas virales, y se requieren las tres partículas con los diferentes ARN para que se produzca la infección .
El procesamiento de poliproteínas es adoptado por el 45% de los virus de plantas, como Potyviridae y Tymoviridae . [12] El ribosoma traduce una sola proteína del genoma viral. Dentro de la poliproteína hay una enzima (o enzimas) con función de proteinasa que es capaz de escindir la poliproteína en varias proteínas individuales o simplemente escindir la proteasa, que luego puede escindir otros polipéptidos produciendo las proteínas maduras.
Además de su participación en el proceso de infección, la replicasa viral es una parte directamente necesaria del empaquetamiento del material genético de los virus ARN . Esto era de esperar debido a que la participación de la replicasa ya se había confirmado en varios otros virus. [16]
El genoma del virus de la vena amarilla necrótica de la remolacha (BNYVV) consta de cinco ARN, cada uno encapsidado en partículas virales con forma de bastón. El ARN 1, que tiene 6746 nucleótidos de longitud, codifica un único marco de lectura abierto (ORF) que produce la proteína P237 de 237 kDa. Esta proteína se divide en P150 y P66 por una proteinasa similar a la papaína. El ARN 2, de 4612 nucleótidos de longitud, codifica seis proteínas, incluidas las proteínas de movimiento (P42, P13, P15), una proteína de cubierta (P21) y una proteína reguladora (P14). El ARN 3, de 1775 nucleótidos de longitud, codifica P25, que está involucrada en la expresión de los síntomas. El ARN 4, de 1431 nucleótidos de longitud, codifica P31, crucial para la transmisión vectorial. El ARN 5, que se encuentra en ciertos aislamientos, codifica P26 y se asocia con síntomas más graves.
Los virus de plantas pueden utilizarse para diseñar vectores virales , herramientas que los biólogos moleculares suelen utilizar para introducir material genético en las células de las plantas ; también son fuentes de biomateriales y dispositivos nanotecnológicos. [17] [18] El conocimiento de los virus de plantas y sus componentes ha sido fundamental para el desarrollo de la biotecnología vegetal moderna. El uso de virus de plantas para realzar la belleza de las plantas ornamentales puede considerarse la primera aplicación registrada de los virus de plantas. El virus de la rotura de tulipanes es famoso por sus efectos espectaculares en el color del perianto de los tulipanes , un efecto muy buscado durante la "tulipomanía " holandesa del siglo XVII . El virus del mosaico del tabaco (TMV) y el virus del mosaico de la coliflor (CaMV) se utilizan con frecuencia en la biología molecular de las plantas. De especial interés es el promotor 35S del CaMV, que es un promotor muy fuerte que se utiliza con mayor frecuencia en las transformaciones de plantas . Los vectores virales basados en el virus del mosaico del tabaco incluyen los de las tecnologías de expresión de plantas magnICON® y TRBO. [18]
Sobre la base de las aprobaciones de mercado y las ventas de productos biofarmacéuticos basados en virus recombinantes para la medicina veterinaria y humana, se ha propuesto el uso de virus vegetales modificados genéticamente para mejorar el rendimiento de los cultivos y promover la producción sostenible. [19]
A continuación se enumeran aplicaciones representativas de los virus de plantas.
