Віруси родини Geminiviridae
Віруси родини Geminiviridae (гемінівіруси) спричинюють захворювання сільськогосподарських культур у всьому світі, обмежують виробництво важливих продовольчих і декоративних культур у тропічних, субтропічних і помірних областях. Представники цієї родини за фітосанітарними правилами різних країн — членів ЄОКЗР (Європейської та Середземноморської організації із захисту рослин) входять до переліку карантинних організмів.
Перший опис хвороб, зумовлених гемінівірусами, було зареєстровано ще 752 року н.е. в Man’yoshu — класичній антології японської поезії. А 2003 року було встановлено, що саме комплекс гемінівірусів та їхніх сателітів викликає симптоми у вигляді пожовтіння на рослинах. Захворювання, зумовлені вірусами цієї родини, впродовж останніх двох десятиліть масово з’являються не лише в тропічних і субтропічних регіонах планети — екологічній ніші гемінівірусів, а й за межами цих кліматичних поясів. Таку швидку експансію захворювань, викликаних цими вірусами, вчені пов’язують із появою нових штамів і збільшенням кількості векторів поширення внаслідок глобального потепління та формування стійкості переносників до інсектицидів. Окрім таких чинників, як еволюція штамів вірусів та зміна в біології векторів, поширенню гемінівірусів сприяють завезення інфікованого посадкового матеріалу, впровадження нових культур сільськогосподарських рослин та інтродукція генів сприйнятливості рослини-господаря через культуру тканин, а також кліматичні чинники.
Міжнародний комітет із таксономії вірусів у 1978 році визнав гемінівіруси окремою родиною на підставі унікальної морфології віріонів (надзвичайно малий розмір, здвоєні частки) і геномного матеріалу у вигляді кільцевої одноланцюгової ДНК (рис. 1). На той час було охарактеризовано лише чотири віруси (BGMV, CLV, CSMV, MSV), а 1981-го — 13. Наразі Geminiviridae є однією з найбільших і найважливіших родин вірусів рослин — у базі даних Національного центру біотехнологічної інформації (NCBI) нараховується 359 повних геномів вірусів цієї родини.
Родина Geminiviridae представлена чотирма родами відповідно до виду переносників, організації геному, подібності сиквенсів частини чи цілого геному і кола рослин-господарів: Begomovirus (288 видів), Mastrevirus (29 видів), Curtovirus (три види), Topocuvirus (один вид). Нещодавно, 2014 року, було анонсовано три нові роди бегомовірусів, які відрізнялись від відомих раніше біологічними властивостями й унікальною архітектурою геному: Becurtovirus (два види), Eragrovirus (один вид) і Turncurtovirus (один вид).
Гемінівіруси — одна з небагатьох родин вірусів рослин, які для своєї репродукції використовують ДНК-геном. Тоді як більшість вірусів рослин містять РНК-геном, оскільки, як вважають, рослини жорстко контролюють еволюцію ДНК-вірусів. Еволюція гемінівірусів відбувалась у напрямі вдосконалення механізмів, які б дали змогу контролювати життєвий цикл рослинної клітини, безперешкодно рухатись від клітини до клітини всією рослиною, уникаючи факторів антивірусної захисної системи рослини-господаря. Завдяки цим особливостям гемінівіруси стали одними з найшкодочинніших патогенів широкого кола сільськогосподарських культур, що спричинюють величезні збитки в аграрному секторі різних країн.
Шкідники сільськогосподарських рослин. Більшість вірусів родини передається тютюновою (бавовниковою) білокрилкою Bemisia tabaci (порядок Hemiptera, родина Aleyrodidae), цикадками (Cicadellidae) і горбатками (Membracidae). Вони є збудниками захворювань зернових, овочевих і луб’яних культур, що створює серйозну загрозу для сільського господарства в усьому світі. Зокрема, віруси цієї родини інфікують найважливіші сільськогосподарські культури: Solanaceae — томати, тютюн, перець, петунію; Fabaceae — квасолю звичайну, квасолю Ліма, сою; Malvaceae — бавовну, бамію; Euphorbiaceae — маніоку; Cucurbitaceae — диню, кавуни, кабачки. Віруси не передаються з насінням, деякі з них можуть поширюватися в результаті механічної інокуляції соком інфікованої рослини.
Гемінівіруси, що мають найбільше економічне значення та набули значного географічного поширення, належать до роду Begomovirus. Бегомовіруси інфікують тільки дводольні рослини й передаються тільки білокрилками — Bemisia tabaci. Наразі тютюнову білокрилку вважають однією з найсерйозніших загроз для сільськогосподарських культур у всьому світі (переважно через велику кількість вірусів, які ця комаха передає).
Група експертів із захисту рослин на прохання Європейської комісії оприлюднила висновок про ризики, пов’язані з «окупацією» тютюновою білокрилкою території Європейського Союзу через поширення вірусів, які можуть передаватись цими комахами. В Додатку IV Директиви Ради 2000/29/ЄС перераховані спеціальні вимоги ЄС, спрямовані на зниження ризиків, пов’язаних із увезенням і поширенням цього шкідника та вірусів, які він може передавати, в тому числі на території ЄС. Відтак інтродукція вірусів, здатних передаватись білокрилкою, в Україну на сьогодні становить значний ризик і потребує належного контролю.
Комахи шкідники сільськогосподарських рослин. Розрізняють декілька біотипів або ліній тютюнової (бавовникової) білокрилки. На Південному узбережжі Криму, в Аджарії, Абхазії і на Чорноморському узбережжі Краснодарського краю поширена неагресивна лінія тютюнової білокрилки (тип С). Вона живиться в основному дикорослими й декоративними парковими рослинами, також може шкодити й сільськогосподарським культурам. Щільність її популяцій у природі контролюється великим комплексом ентомофагів, які знижують її чисельність на 60–70%. Дорослі комахи можуть за лічені хвилини заразитися вірусом під час поїдання інфікованої рослини і зберігати вірус упродовж декількох днів або тижнів та під час линьки. Вірус не розмножується у векторі й не передається безпосередньо потомству.
За зовнішніми ознаками тютюнову білокрилку важко відрізнити від оранжерейної (тепличної) «родички» —Trialeurodes vaporariorum. Імаго шкідника жовте, вусики і ніжки світло-жовті, крила білі без плям. Личинки мають чотири стадії розвитку (перша — рухлива, друга-четверта — нерухливі, з рудиментарними вусиками і ніжками) і живуть на нижньому боці листка. Наприкінці свого розвитку вони перетворюються на пупарій, прикріплений до рослини.
Пупарії — жовті або біло-жовті комахи, овальні із загостреним заднім кінцем, досить опуклі. Боки пупарія не перпендикулярні, а клиноподібні. До субстрату ці комахи прикріплюються лише медіальною частиною. Пупарій тютюнової білокрилки більш плаский на кінцях. По краях пупарія у тепличної білокрилки є короткі воскові ниткоподібні щетинки, а в тютюнової — їх немає. Найважливішою ознакою Bemisia tabaci є будова анального апарату і форма анального отвору (у личинок — на спинній стороні): анальний отвір пупарія прикритий кришечкою і язичком, поверхня яких вкрита дрібними горбиками і щетинками (рис. 2).
Гемінівіруси.Типовим представником роду Begomoviruses є вірус золотистої мозаїки квасолі (Bean golden mosaic virus, BGMV). До кола рослин-господарів цього вірусу входять тільки певні види родів Phaseolus, Macroptilium, Vigna і Calopogonium. Вірус спричиняє захворювання бобових культур, зокрема сої (Glycine max), квасолі (Phaseolus vulgaris, P. lunatus) і близькоспоріднених диких видів. Захворювання проявляється у вигляді яскраво-жовтої мозаїки на листках, пожовтіння жилок, хлоротичності рослинних органів. Листки, що розвиваються після появи перших симптомів, починають скручуватися донизу, стають жорсткими і шкірястими. Верхівка деформується, а рослина стає чахлою та спотвореною. В бобах значно зменшується кількість насінин. За класифікацією ЄОКЗР вірус BGMV занесено до списку карантинних об’єктів A1.
Уперше вірус було описано в 1961 році в Бразилії. На сьогодні він становить серйозну небезпеку в країнах Центральної Америки та Карибського басейну. Досі його ще не було виявлено в країнах Європейського Союзу, однак вважають, що є значний ризик поширення інфекції в південні регіони країн — членів ЄОКЗР.
Бегомовірус Cucurbit leaf curl virus (CuLCV), що уражує рослини родини гарбузових (Cucurbitaceae ) — диню, гарбуз, кабачки й огірки — за молекулярними (подібність нуклеотидних та амінокислотних послідовностей — понад 98%) та біологічними характеристиками подібний до спорідненого Cucurbit leaf crumple virus. Однак він може інфікувати квасолю і тютюн, завдаючи значних збитків під час вирощування цих культур. Уперше вірус було виявлено в Каліфорнії у 1998 році, а 2000-го було встановлено переносника Cucurbit leaf crumple virus — це тютюнова білокрилка. Симптоми вірусного ураження з’являються через два тижні після інфікування у вигляді строкатих візерунків на листках. Згодом листки зморщуються та скручуються, рослина перестає розвиватися і стає низькорослою, боби набувають плямистості й дозрівають нерівномірно. На квасолі вірус зумовлює зморшкуватість та деформацію листків, особливо молодих (рис. 3).
Останнім часом з’являються повідомлення про інфікування бегомовірусами соняшнику, зокрема вірусом скручування листя соняшнику (Sunflower leaf curl virus, SuLCV). Установлено, що подібність нуклеотидних послідовностей геному вірусу, виявленого в Індії, і Tomato leaf curl Karnataka virus та Tomato leaf curl virus становить 97,5%. Основними симптомами вірусного ураження є потовщення жилок, скручування листків догори, нарости на нижній (абаксіальній) поверхні листка та затримка росту ураженої рослини (рис. 5).
Симптоми з’являються через 17–26 днів після інфікування. Вірус передається в неперсистентний спосіб білокрилкою Bemisia tabaci. Окрім соняшнику, вірус може інфікувати перець чилі, томати, тютюн та бур’яни: Acanthospermum hispidum, Amaranthus viridis, Datura stramonium Parthenium hysterophorus. Ці рослини можуть слугувати резерваторами вірусної інфекції в природних умовах.
Гемінівіруси. Beet curly top virus (BCTV) значно поширений у посушливих регіонах усього світу та в Європі. Вірус має широкий діапазон рослин-господарів, зумовлює захворювання понад 300 видів рослин із 44 родин, передається цикадками (Circulifer tenellus). Найчастіше потерпають від вірусної інфекції цукрові буряки, томати, перець, квасоля, картопля, шпинат, гарбузові, капуста, люцерна і багато декоративних рослин. Резерваторами вірусу можуть бути бур’яни, зокрема Russian thistle (будяк російський, або перекотиполе), гірчиця, а також Atriplex spp., Capsella bursapastoris, Chenopodium spp., Datura ferox, Polygonum spp., Rumex spp. та Stellaria media.
Симптоми захворювання варіюють залежно від рослини-господаря. Інфікування вірусом молодих рослин, як правило, призводить до їхньої загибелі, а за ураження у пізніші стадії розвитку рослини виживають, але стають жовтими і низькорослими. Листя жовтіє, у деяких рослин, особливо помідорів і перцю, потовщується і стає ламким або жорстким, скручується догори. Здебільшого урожай культур значно знижується, плоди стають зморшкуватими, дозрівають передчасно. На квасолі вірус викликає карликовість, зморшкуватість листя та хлороз, за раннього інфікування вірусом рослина не формує боби (рис. 5).
Гемінівіруси стали проблемою в усьому світі починаючи із 1960 року. Основну причину епідемій учені пов’язують із діяльністю людини, яка сприяла появі багатьох нових геміні-вірусів, та впливом на їхню еволюцію. Важливу роль в еволюції відіграють комахи — вектори вірусів, що сприяють їхньому поширенню. Персистентний (циркулятивний) спосіб вірусного поширення дорослих комах та факти фізичної взаємодії між комахами і гемінівірусами свідчать про коеволюційну адаптацію між ними.
Позаяк роль людини у поширенні вірусних захворювань очевидна, останнім часом значну увагу приділяють впливу кліматичних змін на епідеміологічний стан інтегрованої системи Geminiviridae/Bemisia tabaci. Так, 55% уражених гемінівірусами територій перебувають у тропічних вологих/сухих умовах, 22% — у тропічних і субтропічних сухих/вологих, а решта — у вологих екваторіальних і прибережних регіонах.
Клімат в Україні значною мірою змінюється відповідно до темпів глобальних кліматичних змін у світі. За даними міжнародної групи експертів ООН, наразі Україна не входить до числа країн, що найбільше підпадають під вплив глобальних змін клімату, проте постійне зростання середньорічної температури може призвести до драматичних перетворень величезної частини кліматичного ландшафту України. Нині спостерігаються певні відхилення від звичних для країни природно-кліматичних умов: клімат у країні стає менш континентальним, відбувається зсув кліматичних зон, який повільно рухається на північ і змінює природні екосистеми. Основними проблемами в такому разі будуть масове розмноження комах-шкідників, ерозії і спустелення родючого ґрунту, посушливий мікроклімат.
У зв’язку зі змінами клімату на території України у членистоногих змінюватимуться життєві ритми й цикли — комахи шкідники також пристосовуватимуться до нового, спекотнішого, клімату зі змінами періодів спокою на періоди активності. Крім того, ризик появи невластивих для певної місцевості видів комах шкідників зростає. Так, наприклад, 2014 року, за даними фахівців, обсяги площ, заражених тютюновою білокрилкою, залишались без змін, однак зміна погодних умов (тенденція до потепління) стають усе сприятливішими для розвитку шкідника. Тому тютюнова білокрилка становитиме велику загрозу не тільки для тепличних господарств, а й для рослин відкритого ґрунту, позаяк кліматичні умови нашої країни можуть бути придатними для її існування.
Для загального контролю епідеміологічної ситуації щодо вірусів Geminiviridae в Україні необхідне комплексне застосування різних заходів контролю. Насамперед — детальне знання екології та епідеміології не лише вірусів цієї родини, а й їхніх переносників, що сприятиме своєчасному запровадженню карантинного режиму та розробці заходів локалізації і ліквідації шкідників. Оскільки для більшості адвентивних (занесених людиною на нетипову для них територію) видів шкідників закритий ґрунт є ідеальним місцем пристосування до нових умов, необхідно ретельно обстежувати тепличні господарства. Особливо це стосується тих, що використовують імпортний насіннєвий чи садівний матеріал, а також підприємств і організацій України, які займаються завезенням, вивезенням, вирощуванням і реалізацією культур закритого ґрунту. Нагальною потребою є розробка комплексних концепцій управління вірусними захворюваннями, які поєднують вірусостійкість рослин, умови культивування, хімічні й біологічні заходи контролю. Прийняття рішень щодо захисних заходів залежить від коректної оцінки ймовірності та можливих наслідків інтродукції вірусів рослин і їхніх переносників із наступним поширенням в агроценозі.
А. Кириченко,
Інститут мікробіології і вірусології
ім. Д.К. Заболотного НАН України