Los virus vegetales son virus que afectan a las plantas . Como todos los demás virus, los virus de las plantas 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 las 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 un sobre . La gran mayoría tiene un genoma de ARN, que suele ser pequeño y monocatenario (ss), pero algunos virus tienen genomas de ARN bicatenario (ds), ssDNA o dsDNA. Aunque los virus vegetales no se conocen tan bien como sus homólogos animales, un virus vegetal se ha vuelto muy reconocible: el virus del mosaico del tabaco (TMV), el primer virus descubierto. Este y otros virus causan una pérdida estimada de 60 mil millones de dólares en rendimiento de cultivos en todo el mundo cada año. Los virus vegetales se agrupan en 73 géneros y 49 familias . Sin embargo, estas cifras se refieren únicamente a las plantas cultivadas, que representan sólo una pequeña fracción del número total de especies de plantas. Los virus en las plantas silvestres no han sido bien estudiados, 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 insectos). Las células vegetales están rodeadas por paredes celulares sólidas , por lo que el transporte a través de plasmodesmos es el camino preferido para que los viriones se muevan 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 de 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 ARNip en respuesta al ARNbc . [3] La mayoría de los virus de las plantas 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 virus vegetales que causan enfermedades a menudo se atribuye a A. Mayer (1886), quien trabajando en los Países Bajos demostró que la savia del mosaico obtenida de las hojas de tabaco desarrollaba síntomas de mosaico cuando se inyectaba en plantas sanas. Sin embargo, la infección de la savia fue destruida cuando se hirvió. Pensó que el agente causal eran las bacterias. Sin embargo, después de una mayor inoculación con una gran cantidad de bacterias, no desarrolló ningún síntoma de mosaico.
En 1898, Martinus Beijerinck, profesor de Microbiología en la Universidad Técnica de los Países Bajos, expuso su concepto de que los virus eran pequeños y determinó que la "enfermedad del mosaico" seguía siendo infecciosa cuando pasaba a través de un filtro-vela de Chamberland . Esto contrastaba con los microorganismos bacterianos , que eran retenidos por el filtro. Beijerinck se refirió al filtrado infeccioso como " contagium vivum fluidum ", de ahí la acuñación del término moderno "virus".
Tras el descubrimiento inicial del "concepto viral", surgió la necesidad de clasificar otras enfermedades virales conocidas según el modo de transmisión, aunque la observación microscópica resultó infructuosa. En 1939 Holmes publicó una lista de clasificación de 129 virus vegetales. Esto se amplió y en 1999 había 977 especies de virus vegetales 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 por dos laboratorios simultáneamente 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 virus de plantas , con especial interés en determinar cómo el virus puede replicarse, moverse e infectar 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, se han utilizado secuencias derivadas de virus para comprender nuevas formas de resistencia . El reciente auge de la tecnología que permite a los humanos manipular virus vegetales puede proporcionar nuevas estrategias para la producción de proteínas con valor añadido en las plantas.
Los virus son tan pequeños que sólo pueden observarse bajo un microscopio electrónico . La estructura de un virus viene dada 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 vegetales 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 a 20 nm. Las subunidades de proteínas 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 del ácido nucleico en el medio. [5]
La segunda estructura más común entre los virus de las plantas son las partículas isométricas . Tienen entre 25 y 50 nm de diámetro. En los casos en que solo hay una proteína de cubierta única, la estructura básica consta de 60 subunidades T, donde T es un número entero . Algunos virus pueden tener dos 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 cubierta, una envoltura lipídica . Esto se deriva de la membrana de la célula vegetal a medida que la partícula del virus brota de la célula .
Los virus se pueden transmitir por transferencia directa de savia por contacto de una planta herida con una sana. Dicho contacto puede ocurrir durante prácticas agrícolas, como por daños causados por herramientas o manos, o naturalmente, como por un animal que se alimenta de la planta. Generalmente el TMV, el virus de la patata y el virus del mosaico del pepino se transmiten a través de la savia.
Los virus de las plantas necesitan ser transmitidos por un vector , generalmente insectos como los saltamontes . 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 vegetal será a menudo el factor determinante en el rango de huéspedes de ese virus: sólo 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 vegetales a nuevos huéspedes. Según la forma de transmisión, los virus vegetales se clasifican en 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 ingresa al intestino anterior del insecto. Se conocen como persistentes aquellos virus que logran pasar a través del intestino hasta la hemolinfa y luego a las glándulas salivales . Hay dos subclases de virus persistentes: propagativos y circulativos. Los virus propagativos pueden replicarse tanto en la planta como en el insecto (y pueden haber sido originalmente virus de insectos), mientras que los circulativos 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 se encuentran en la proteína de la cubierta y en otra proteína conocida como componente auxiliar. Se ha propuesto una hipótesis 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 al aparato bucal 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 vegetales. En el caso del TSWV, en esta envoltura lipídica se expresan 2 proteínas virales. Se ha propuesto que los virus se unen a través de estas proteínas y luego ingresan a la célula del insecto mediante endocitosis mediada por receptores .
Se ha demostrado que los nematodos del suelo transmiten virus. Los adquieren y transmiten alimentándose de raíces infectadas . Los virus pueden transmitirse tanto de forma no persistente como persistente, pero no hay evidencia de que los virus puedan replicarse en 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 sonajero del tabaco . [7]
Varios géneros de virus se transmiten, tanto de forma persistente como no persistente, por protozoos zoospóricos transmitidos por el suelo . Estos protozoos no son fitopatógenos en sí mismos, sino parásitos . La transmisión del virus se produce cuando se asocian a 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 plasmodiofóridos también crean heridas en la raíz de la planta a través de las cuales pueden entrar otros virus.
La transmisión de virus vegetales de generación en generación ocurre en aproximadamente el 20% de los virus vegetales. Cuando los virus se transmiten por semillas, la semilla se infecta en las células generativas y el virus se mantiene en las células germinales y, a veces, pero con menos 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 virales en las semillas. No parece haber una correlación entre la ubicación de la semilla en la planta y sus posibilidades de infectarse. [5] Poco se sabe sobre los mecanismos involucrados en la transmisión de virus vegetales a través de semillas, aunque se sabe que está influenciado por el medio ambiente y que la transmisión por 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. [5] [6] Estos procesos pueden ocurrir al mismo tiempo 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 de los padres y la descendencia en el óvulo. [6] Muchas especies de plantas pueden infectarse a través de semillas, incluidas, entre otras, las familias Leguminosae , Solanaceae , Compositae , Rosaceae , Cucurbitaceae , Gramineae . [5] El virus del mosaico común del frijol se transmite a través de las semillas.
Existe evidencia tenue de que un virus común a los pimientos, el virus del moteado leve del pimiento (PMMoV), pueda haber infectado a los humanos. [9] Este es un evento raro e improbable ya que, para ingresar a una célula y replicarse, un virus debe "unirse a un receptor en su superficie, y sería muy poco probable que un virus vegetal reconozca un receptor en una célula humana. Una posibilidad es que el virus no infecta las células humanas directamente, sino que el ARN viral desnudo puede alterar la función de las células a través de un mecanismo similar al ARN de interferencia, 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 vegetales en los huéspedes aún no se ha estudiado lo suficiente, especialmente las primeras etapas de la infección . [11] Muchas estructuras membranosas que los virus inducen a producir en las células vegetales 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 diversos cambios en las propias membranas intracelulares de las plantas . [11] El trabajo de Perera et al. 2012 en infección por virus de mosquitos y varios otros que estudian modelos de virus de plantas en levaduras 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 comprendida de los virus vegetales. [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 tienen la misma orientación que el ARN mensajero, pero el 10% tienen -ssRNA, lo que significa que deben convertirse en +ssRNA antes de poder traducirse. El 5% son ARN bicatenario y, por lo tanto, pueden traducirse inmediatamente como virus +ssRNA. El 3% requiere una enzima transcriptasa inversa para convertir 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 entre 4 y 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 producirá solo una proteína, ya que terminará la traducción en el primer codón de parada , o que una poliproteína producido. Los virus vegetales 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 requieren una estructura Cap 5' . Esto significa que los virus también deben tener uno. Normalmente consta de 7MeGpppN, donde N normalmente es adenina o guanina . Los virus codifican una proteína, normalmente una replicasa , con una actividad metiltransferasa que lo permite.
Algunos virus son ladrones de gorras. Durante este proceso, el complejo de transcriptasa viral recluta un ARNm del huésped con límite G de 7 m y posteriormente lo escinde mediante una endonucleasa codificada viralmente. El ARN líder protegido resultante se utiliza para preparar la transcripción en el genoma viral. [14]
Sin embargo, algunos virus de plantas no utilizan cap, pero se traducen de manera eficiente debido a los potenciadores de la traducción independientes de cap presentes en las regiones 5' y 3' no traducidas del ARNm viral. [15]
Algunos virus (por ejemplo, el virus del mosaico del tabaco (TMV)) tienen secuencias de ARN que contienen un codón de parada "con fugas". En TMV, el 95% de las veces el ribosoma del huésped terminará la síntesis del polipéptido en este codón, pero el resto del tiempo continuará más allá de él. Esto significa que el 5% de las proteínas producidas son más grandes y diferentes de las demás producidas normalmente, lo que es una forma de regulación traslacional . En 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 es 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 la traducción.
Algunas familias virales, como Bromoviridae , optan por tener genomas multipartitos , es decir, genomas divididos en 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 de Brome tiene un genoma dividido en 3 partículas virales, y las 3 partículas con diferentes ARN son necesarias 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 única proteína del genoma viral. Dentro de la poliproteína hay una enzima (o enzimas) con función proteinasa que es capaz de escindir la poliproteína en varias proteínas individuales o simplemente escindir la proteasa, que luego puede escindir otros polipéptidos que producen proteínas maduras.
Además de participar en el proceso de infección, la replicasa viral es una parte directamente necesaria del empaquetado del material genético de los virus ARN . Esto se esperaba debido a que la participación de la replicasa ya se ha confirmado en varios otros virus. [dieciséis]
Los virus vegetales se pueden utilizar para diseñar vectores virales , herramientas comúnmente utilizadas por los biólogos moleculares para introducir material genético en las células vegetales ; también son fuentes de biomateriales y dispositivos de nanotecnología. [17] [18] El conocimiento de los virus vegetales y sus componentes ha sido fundamental para el desarrollo de la biotecnología vegetal moderna. El uso de virus vegetales para realzar la belleza de las plantas ornamentales puede considerarse la primera aplicación registrada de virus vegetales. El virus que rompe los tulipanes es famoso por sus dramáticos efectos sobre el color del perianto del tulipán , un efecto muy buscado durante la " tulipmanía " 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 biología molecular vegetal. De especial interés es el promotor CaMV 35S , que es un promotor muy fuerte utilizado con mayor frecuencia en transformaciones de plantas . Los vectores virales basados en el virus del mosaico del tabaco incluyen los de las tecnologías de expresión vegetal magnICON® y TRBO. [18]
A continuación se enumeran aplicaciones representativas de virus vegetales.
