Как вирусы заражают растение?

Прежде всего, вспомните, чем цветковое растение отличается от позвоночного животного, а чем они похожи. Например, чем одуванчик или дуб отличается от крысы или лягушки. Подумайте, какие из этих отличительных и сходных свойств могут использоваться вирусом для проникновения в растение и распространения внутри растения, и, наоборот, что может представлять для вируса серьезную преграду.

Рассмотрите все виды передачи вирусов животных, о которых говорится в условии, и подумайте, какие аналоги этих видов передачи могли бы встречаться у растений.

Прежде всего, стоит понять, чем же всё-таки отличается растение от животного и чем они похожи (мы рассматриваем позвоночное животное и цветковое растение). Эти отличия и сходства можно будет потом связать с особенностями переноса вирусов.

Основные сходства:

• У высших растений, так же, как и у позвоночных животных, есть системы транспорта питательных веществ, чем-то похожие по своему строению на соответствующие системы у животных (например, транспорт осуществляется по некоторым функциональным аналогам сосудов позвоночных животных). Флоэма — сеть клеток, по которым синтезированные в листьях органические вещества перемещаются по всему растению. Ксилема — сосуды, по которым вода и минеральные вещества поступают от корней к другим органам и тканям растения.
• Цветковые растения, так же как и позвоночные животные, способны к половому размножению.

Основные отличия:

• Глобально растительный организм отличается от организма животного значительно меньшей подвижностью.
• Растительная клетка отличается от клетки организма животного прежде всего наличием клеточной стенки. То есть каждая клетка помимо липидной мембраны имеет вокруг себя оболочку из сложных углеводов (целлюлоза и т. п.), которая не пропускает внутрь клетки (и, соответственно, внутрь самого растения) излишне крупные молекулы и молекулярные агрегаты вроде вирусов. Напротив, внутри растения возможен транспорт довольно-таки крупных молекул и молекулярных структур, поскольку в клеточной стенке между клетками имеются специальные отверстия — плазмодесмы. Надо учитывать всё же, что плазмодесмы тоже имеют ограничения по своей пропускной способности.
• Растение способно размножаться вегетативно, то есть неполовым путем (например, клубника размножается через усы.

Теперь давайте еще раз посмотрим на пути передачи и способы распространения вирусов животных и подумаем, какие из них могут использоваться вирусами растений.

Основные способы передачи вирусов у животных:

1. Передача внутри организма по различным транспортным и клеточным системам (кровь, нервная система и т. д.).

2. Передача между организмами:
    a. воздушно-капельная;
    b. фекально-оральная;
    c. половой путь;
    d. от матери ребёнку;
    e. переливание крови;
    f. контактный путь;
    g. при помощи переносчиков;
    h. более редкие варианты, например через укус.

Теперь можно посмотреть, какие способы распространения вирусов животных подходят для вирусов растений, а какие — нет:

1. Распространение внутри растения:

a. Вирусы животных часто распространяются внутри организма через кровь. Вирусы растений вполне могут воспользоваться аналогичным способом, распространяясь внутри растения при помощи проводящих систем, например, через флоэмный сок.

b. Благодаря тому что клетки растения объединены между собой плазмодесмами, то есть «дырками» в клеточной стенке, вирус внутри растения сможет распространяться от одной клетки растения к другой через плазмодесмы. Это в какой-то степени аналог передачи вирусов животных от одной нервной клетки к другой.

2. Передача между растениями:

a. Возможен ли воздушно-капельный путь передачи вируса между растениями? Тут сразу встаёт несколько вопросов.

Во-первых, кто-то должен распылять этот аэрозоль или капельки. В случае животных, это делают сами животные — при чихании и кашле. Вы когда-нибудь видели чихающее растение?

Во-вторых, вирус из аэрозоля должен как-то попасть внутрь растения — для этого ему необходимо будет преодолеть клеточную стенку.

То есть в принципе такой способ передачи возможен — если мы, например, будем искусственно распылять аэрозоль с вирусом и при этом вирус сможет как-то проникнуть сквозь клеточную стенку (подробнее о проникновении через клеточную стенку читайте в Послесловии). Но в природе он маловероятен... Хотя, опять же, теоретически можно себе представить вирус, который попадает в какие-либо жидкости, которые растение выделяет, например в капельки на листиках росянки, в суспензию эфирных масел (например, у мяты и т. п.), а затем распространяется ветром в составе мелких капелек. Но тут, опять же, много «но»: например, не факт, что найдётся вирус, который не будет разрушаться большими концентрациями эфирных масел, а капельки «росы» на листьях росянки не разбрызгиваются ветром в силу своей вязкости.

b. Фекально-оральный путь передачи, а вернее, какой-то его аналог, тоже маловероятен между растениями в связи с их автономией от органических источников питания и, соответственно, с отсутствием у них аналога пищеварительной системы с «входом» и «выходом». Растение — это такая «вещь в себе»: в неповреждённый организм не проникают органические вещества.

c. Ничто не мешает вирусам растений, подобно вирусам животных, передаваться «половым путём». Разве что в данном случае передача может происходить только в одном направлении — через зараженную пыльцу от мужского цветка женскому.

d. Передача «от матери ребёнку»:

• Если пыльца заражена, то, скорее всего, будет заражено и семя, получившееся в результате опыления и оплодотворения. Это один из аналогов передачи вируса от матери ребёнку (в данном случае — от отца ребёнку).
• Точно также если заражены половые клетки матери в пестике, то после оплодотворения семя тоже будет заражено, и получившееся из семени растение, скорее всего, тоже.
• Из способности растений размножаться черенками, усами и т. п. следует, что, если вирус эффективно распространяется внутри родительского растения, ему ничего не стоит заразить дочернее растение, произведённое вегетативным путём из растения-родителя.

e. Аналогом передача вируса при переливании крови в случае растений было бы переливание флоэмного сока. Очевидно, такая возможность есть. Только вот в природе вы вряд ли встретите две берёзки, которые переливают друг дружке флоэмный сок... Скорее, тут возможен вариант, при котором одно повреждённое растение через флоэмный сок передаёт вирус рядом стоящему другому повреждённому растению.

f. Контактная передача вируса растений вполне возможна, например, на одном лугу, где трава очень густо растёт. Тут, опять же, встаёт вопрос, что вирус должен сначала как-то преодолеть покровы (на клеточном уровне — клеточную стенку) одного растения, а потом проникнуть через клеточную стенку второго растения (см. Послесловие). То есть покровы растений при этом способе передачи должны быть повреждены.

g. Переносчики — отличный способ передачи вируса сразу в кровь в случае вирусов животных и во флоэмный сок в случае вирусов растений. Благо, многие насекомые питаются тем самым флоэмным соком. Яркий пример — тли (подробности см. в Послесловии).

h. Растения неподвижны, следовательно тут не пройдёт вариант, при котором вирусы могут полагаться на одно растение, которое, взбесившись, укусит другое. Представьте себе, например, взбесившийся кактус, который нападает на другой кактус...

Подведём итог. Вот краткий список способов передачи вирусов растений, которые реализуются в природе:

1. Внутри организма:

• по проводящей системе — по всему организму;
• через плазмодесмы — между отдельными клетками.

2. Между двумя организмами:

• через механические повреждения;
• при помощи переносчика, «вкалывающего» вирус во флоэму;
• потомству либо при вегетативном размножении, либо через пыльцу.

В решении мы рассмотрели возможные способы передачи вируса от животного растению. Теперь давайте обсудим более подробно механизмы, по которым вирусу целесообразно проникнуть внутрь растения и по растению распространяться.

Проникновение вируса внутрь

В любом случае, чтобы попасть в растение, вирусу необходимо каким-то образом снаружи этого растения преодолеть клеточную стенку. Можно при этом сразу постараться попасть в проводящие ткани растения, это облегчит последующее распространения вируса внутри организма.

Как вы знаете, существует несколько способов преодолеть стенку:

• Биться головой об стенку (под «головой» подразумевается нечто менее прочное, чем стенка).
• Активно пробивать стенку каким-нибудь аналогом тарана (таран — это что-то более прочное, чем стена).
• Найти дверь, если она имеется (дверь — это отверстие достаточного размера, чтобы его можно было использовать для попадания внутрь).
• Пролезть через щель или дыру, если стенка повреждена (опять же, щель или дыра должна иметь определённый минимальный размер).
• Если ты внутри, то стенку уже преодолевать не надо.

А теперь — что из этого наиболее реально?

Биться головой об стенку довольно-таки бессмысленное занятие.

Чтобы пробивать её тараном, надо сконструировать таран и потом взять где-то энергию, чтоб долбить стенку этим тараном. То есть это занятие достаточно трудоёмкое, хотя в принципе этот вариант возможен. Так поступают некоторые вирусы бактерий, у которых тоже есть «проблема клеточной стенки». Однако среди вирусов растений такие примеры неизвестны.

Проще всего, если в стене есть дверь — но это не случай растений. Им просто незачем пропускать через клеточную стенку крупные молекулы: органические вещества синтезируются в листьях внутри самого растения, а потом транспортируются к другим клеткам через флоэму и плазмодесмы — отверстия в клеточной стенке.

Следующий вариант — пролезть через дыру. Именно этот метод используются многими вирусами растений. Но откуда берутся дыры? Это могут быть просто механические повреждения тканей растения. Подобные повреждения могут наносить топчущие поле животные, люди, едущий трактор. Таким образом, например, может передаваться вирус табачной мозаики.

Теперь про последний вариант — когда стенку преодолевать не надо, потому что ты внутри. По этому механизму происходит передача вируса потомству растения в результате вегетативного или полового размножения. Вирус может попасть в пыльцевое зерно, так как оно возникло из клетки, которая до этого была связана с остальными клетками растения плазмодесмами.

А как вирус может напрямую попасть в проводящие ткани растения?

• Снизу, из почвы — через повреждённые корни вирус попадает в ксилему.
• Над землёй — через повреждённые ткани листа или цветка вирус попадает во флоэму.

Последнее проще, хотя бы потому, что вирусу проще сохраняться в «живом» состоянии в живом организме, чем в почве. Этот способ можно осуществить при помощи насекомых, например тлей, которые питаются соком растений. Они как раз вводят свой хоботок в проводящие ткани. Кроме того, переносчиками могут служить почвенные нематоды (черви, обитающие в почве, которых когда-то относили к круглым червям).

Интересно отметить, что вирусы растений, переносимые насекомыми, адаптируются к организму-переносчику. У некоторых из них есть специальные белки для прикрепления к хоботку насекомого изнутри. Другие умеют размножаться в организме насекомого — причём насекомое они при этом «целенаправленно» не убивают. Надо сказать, что способность размножаться одновременно в организме насекомого и растения удивительна, учитывая различия в строении их клеток (клеточная стенка у растения, её отсутствие у насекомого).

Вирус может даже изменить вкусы того или иного насекомого. Недавние исследования показали, что тли, инфицированные вирусом злаков Barley yellow dwarf virus  (BYDV), предпочитают питаться неинфицированными растениями пшеницы, и, наоборот, неинфицированные тли — инфицированными растениями.

Особенности распространения вируса внутри растения

Для распространения внутри растения вирусу необходимо попасть в проводящую систему растения, где он сможет перемещаться по организму вместе с током жидкости (флоэмного сока) или уметь перемещаться от клетки к клетки по плазмодесмам. Заметим, что попасть в проводящую систему можно по тем же плазмодесмам. Так что два вопроса свелись к одному.

С плазмодесмами есть небольшая проблема: они могут оказаться слишком узкими для эффективного распространения большого количества вирусных частиц, и даже настолько узкими, что любая отдельно взятая собранная вирусная частица в них физически не пролезет.

В связи с этим вирусы растений в процессе эволюции разработали два механизма перемещения по плазмодесмам. Чтобы догадаться, что это за механизмы, представьте себе грабителя и дом с открытой форточкой.

Как грабителю залезть в дом, если в форточку он не пролезает?

1) Когда грабителю надо пролезть в форточку, он может запустить туда ребёнка или более мелкого грабителя.

В данном случае переноситься через плазмодесму может не полностью собранная вирусная частица, а только вирусный геном, связанный с каким-нибудь специальным транспортным белком вируса. Такая конструкция значительно менее громоздка, чем собранная вирусная частица, и её гораздо проще протащить через форточку-плазмодесму.

2) Другой вариант действий грабителя — выломать форточку, то есть каким-то образом её расширить, — тоже используется вирусами.

Вирусы способны тем или иным образом модифицировать плазмодесмы, через которые они хотят попасть в соседнюю клетку: они расширяют канал в клеточной стенке за счёт собственных белков. Это больше похоже на ситуацию, как если бы грабитель пытался ограбить резиновый дом с резиновой форточкой. Такую форточку можно было бы растянуть, что, собственно, и делает вирус.