研究探索在分子遗传学水平上针对毁灭性ToCSV番茄病毒的首次防御

约翰内斯堡大学(UJ)的研究人员首次在分子遗传学水平上研究了番茄植株如何抵御毁灭性的“年轻”南部非洲病毒。

Ty-1基因已知可抵抗众所周知的番茄黄曲叶病毒(TYLCV)。新泽西州大学的研究人员调查了当携带Ty-1基因的番茄植株感染相对未知的番茄卷曲矮化病毒(ToCSV)时会发生什么。他们发现对ToCSV(一种称为病毒DNA甲基化的植物防御)的耐受性与Ty-1基因活性之间存在联系。该研究发表在《植物科学前沿》上。

为了更多地了解这是如何发生的，他们使用了亚硫酸氢盐转化和PCR扩增的实验室技术，以及下一代全基因组病毒测序方法。

年轻的病毒在旅行

许多病原体攻击番茄植物，番茄是继土豆和木薯之后世界第三大蔬菜作物。

番茄卷曲矮化病毒大约30年前起源于南非，通过粉虱传播。该病毒可以摧毁整个番茄作物，特别是如果足够多的植物在幼年阶段被感染的话。在邻国莫桑比克也发现了它。

幼番茄卷叶矮化病毒(ToCSV)在DNA水平上与已建立的番茄黄叶曲叶病毒(TYLCV)相似。

但该研究的主要作者FarhahnaAllie博士表示，人们对番茄植株可以用来防御ToCSV的“工具”知之甚少。Allie博士是新泽西大学生物化学系的研究员。

植物内部的特洛伊木马技巧

自古以来，病毒就一直在攻击植物。但该研究的合著者格里特·库森博士说，它们仍然需要欺骗植物，进行自我复制并引起疾病。

“像ToCSV这样的双生病毒没有能力复制自身，然后传播到其他地方。它们完全依赖植物来实现这一点。病毒必须欺骗植物，让其‘认为’植物正在制造更多的病毒。”自己的DNA。

“所以病毒就像植物体内的特洛伊木马。植物在‘不知情的情况下’复制病毒DNA，‘处理感染’并传播病毒引起的疾病，”他说。

攻击病毒内部的DNA

在植物与病毒持续不断的战斗中，植物“发现”将反击集中在病毒内部的DNA是非常有效的。

在这项研究中，研究人员使用了多种对ToCSV敏感的番茄，以及另一种能够耐受ToCSV的番茄品种。

艾莉说，易感品种对其他病原体具有多种防御能力，但它无法克服ToCSV。ToCSV可以完全感染该品种。

研究植物对ToCSV这样的新病毒的反应方式对于确定培育抗性作物的方法至关重要。

抗性基因Ty-1

“耐受番茄品种与易感品种具有相似的遗传背景，但它更擅长开启Ty-1抗性基因，而易感品种却很难做到这一点，”艾莉说。

“众所周知，Ty-1基因是番茄中针对番茄黄曲叶病毒(TYLCV)的主要抗性基因。“年轻”病毒ToCSV的基因组与TYLCV相似，因此Ty-1很可能也要对ToCSV的容忍或抵制负责。

“作为探索抗性和耐受性与Ty-1基因之间联系的第一步，我们想了解耐受性植物是否使用DNA甲基化‘工具’来对抗番茄卷曲矮化病，”她说。

关闭病毒DNA

“将一种番茄卷曲特技病毒的DNA想象成一根小橡皮筋，”Koorsen说。“当粉虱以植物为食时，它会将数千条DNA橡皮带转移到植物细胞中。

“让我们比较一下对ToCSV敏感的植物细胞和能够在一定程度上耐受ToCSV的番茄植物细胞。在耐受性植物细胞中，Ty-1基因非常活跃。

“根据我们在这项研究中分析的数据，我们认为Ty-1活性可能与植物标记病毒DNA“橡皮筋”上特定区域并“关闭它们”的能力有关，因此病毒无法制造更多的病毒。如果它本身在植物细胞内，”库森说。

“标签”是甲基。每个甲基由一个碳原子和三个氢原子组成。这些标签附着在病毒DNA上的CG、CHH和CHG字母序列上。“标记”过程称为甲基化，这是植物中已知的防御机制。

随着时间的推移，在具有耐受性的植物细胞中，人们会在病毒DNA的关键部分看到越来越多的标签，病毒要么停止复制，要么复制缓慢。这称为甲基化引起的表观遗传沉默。

同时，在易感植物细胞中，Ty-1抗性基因的活性较低。因此，来自粉虱的数千种感染病毒可以在植物细胞内复制。随着时间的推移，植物中的病毒越来越多，植物被彻底感染。

加速防御

“我们现在拥有‘番茄防御工具箱’的一部分。我很高兴探索番茄植物还有哪些其他防御工具以及这些工具如何组合在一起，”艾莉说。

库森说，由于病毒和植物之间的战斗永无休止，番茄卷曲特技病毒最终会变异，番茄植物会反击，新兴的计算技术将为植物育种创造新的选择。

他补充说，到目前为止，已经使用标准统计分析将一种番茄品种的防御能力与另一种番茄品种的防御能力进行了比较。

Koorsen期待探索机器学习(ML)和新兴人工智能方法来比较番茄品种。

他说：“我很高兴我们如何利用这些研究中产生的数十亿字节的生物数据来更深入地了解植物防御。”

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