Erste Verteidigung gegen die verheerende ToCSV-Tomate

Nov 15, 2023

Universität Johannesburg

Bild: Es gibt einen Zusammenhang zwischen Tomatenpflanzen, die das verheerende „junge“ Tomaten-Curly-Stunt-Virus (ToCSV) tolerieren können, der Aktivität des Ty-1-Gens und einer pflanzlichen Abwehr namens virale DNA-Methylierung, fanden UJ-Forscher in der ersten molekulargenetischen Studie zu Pflanzen heraus von ToCSV.mehr sehen

Bildnachweis: Grafik und Foto von Therese van Wyk, Universität Johannesburg.

Wie sich Tomatenpflanzen gegen ein verheerendes „junges“ südafrikanisches Virus wehren, haben Forscher der Universität Johannesburg (UJ) nun erstmals auf molekulargenetischer Ebene untersucht.

Es ist bekannt, dass das Ty-1-Gen Resistenz gegen das bekannte Tomato Yellow Leaf Curl Virus (TYLCV) verleiht. UJ-Forscher untersuchten, was passiert, wenn Tomatenpflanzen, die das Ty-1-Gen tragen, mit dem relativ unbekannten Tomato Curly Stunt Virus (ToCSV) infiziert werden. Sie fanden einen Zusammenhang zwischen der Toleranz gegenüber ToCSV, einer pflanzlichen Abwehr namens virale DNA-Methylierung, und der Aktivität des Ty-1-Gens.

Die Forschung wurde in Frontiers in Plant Science veröffentlicht.

Um mehr darüber herauszufinden, wie das geschieht, verwendeten sie Labortechniken namens Bisulfit-Konvertierung und PCR-Amplifikation in Verbindung mit einem Ansatz zur Sequenzierung des gesamten Genomvirus der nächsten Generation.

Junger Virus auf Reisen

Viele Krankheitserreger befallen Tomatenpflanzen, die nach Kartoffeln und Maniok die drittgrößte Gemüsepflanze der Welt produzieren.

Das Tomato-Curly-Stunt-Virus entstand vor etwa 30 Jahren in Südafrika und wird durch die Weiße Fliege verbreitet. Das Virus kann eine ganze Tomatenernte zerstören, insbesondere wenn genügend Pflanzen in einem jungen Stadium infiziert sind. Es wurde auch im Nachbarland Mosambik gefunden.

Das Young Tomato Curly Stunt Virus (ToCSV) ähnelt auf DNA-Ebene dem etablierten Tomato Yellow Leaf Curl Virus (TYLCV).

Allerdings ist relativ wenig über die „Werkzeuge“ bekannt, mit denen sich die Tomatenpflanzen gegen ToCSV verteidigen können, sagt Dr. Farhahna Allie, Hauptautorin der Studie. Dr. Allie ist Forscherin in der Abteilung für Biochemie der UJ.

Trojanischer Pferdetrick in Pflanzen

Viren befallen Pflanzen seit jeher. Aber sie müssen die Pflanzen immer noch austricksen, um sich zu vermehren und Krankheiten zu verursachen, sagt Dr. Gerrit Koorsen, Co-Autor der Studie.

„Geminiviren wie ToCSV sind nicht in der Lage, Kopien von sich selbst zu erstellen und sich dann anderswo zu verbreiten. Dabei sind sie vollständig auf die Pflanze angewiesen. Das Virus muss die Pflanze dazu verleiten, zu „denken“, dass die Pflanze mehr von ihrer eigenen DNA herstellt.

„Der Virus ist also wie ein Trojanisches Pferd in der Pflanze. Die Pflanze repliziert virale DNA, „ohne es zu wissen“, „kümmert sich um die Infektion“ und verbreitet die durch das Virus verursachte Krankheit“, sagt er.

Angriff auf die DNA im Inneren des Virus

Im anhaltenden Kampf zwischen Pflanzen und Viren haben Pflanzen „entdeckt“, dass es sehr effektiv ist, ihren Gegenangriff auf die DNA in Viren zu konzentrieren.

Für die Studie verwendeten die Forscher eine Tomatensorte, die anfällig für ToCSV ist, und eine andere Sorte, die ToCSV verträgt.

Die anfällige Sorte verfügt über eine Reihe von Abwehrmechanismen gegen andere Krankheitserreger, kann ToCSV jedoch nicht überwinden, sagt Allie. ToCSV kann diese Sorte vollständig infizieren.

Die Untersuchung der Art und Weise, wie Pflanzen auf ein neues Virus wie ToCSV reagieren, ist entscheidend für die Identifizierung von Möglichkeiten zur Züchtung resistenter Nutzpflanzen.

Resistenzgen Ty-1

„Die tolerante Tomatensorte hat einen ähnlichen genetischen Hintergrund wie die anfällige Sorte, kann aber das Ty-1-Resistenzgen besser einschalten, was der anfälligen Sorte nur schwer gelingt“, sagt Allie.

„Das Ty-1-Gen ist bekanntermaßen das wichtigste Resistenzgen in Tomaten gegen das Tomato Yellow Leaf Curl Virus (TYLCV). Das „junge“ Virus ToCSV ähnelt in seinem Genom dem TYLCV, sodass Ty-1 möglicherweise auch für die Toleranz bzw. Resistenz gegen ToCSV verantwortlich ist.

„Als ersten Schritt zur Erforschung des Zusammenhangs zwischen Resistenz und Toleranz und dem Ty-1-Gen wollten wir sehen, ob die tolerante Pflanze das ‚Werkzeug‘ der DNA-Methylierung nutzt, um die Tomaten-Curly-Stunt-Krankheit zu bekämpfen“, sagt sie.

Virus-DNA ausschalten

„Stellen Sie sich die DNA eines Tomato-Curly-Stunt-Virus als winziges Gummiband vor“, sagt Koorsen. „Wenn die Weiße Fliege sich von der Pflanze ernährt, überträgt die Fliege Tausende dieser DNA-Gummibänder in die Zellen der Pflanze.

„Vergleichen wir eine Zelle einer Pflanze, die anfällig für ToCSV ist, mit einer Zelle einer Tomatenpflanze, die ToCSV bis zu einem gewissen Grad tolerieren kann.“ In der toleranten Pflanzenzelle ist das Ty-1-Gen sehr aktiv.

„Angesichts der Daten, die wir in dieser Studie analysiert haben, glauben wir, dass die Ty-1-Aktivität möglicherweise mit der Fähigkeit von Pflanzen zusammenhängt, bestimmte Bereiche auf dem ‚Gummiband‘ der viralen DNA zu markieren und sie ‚abzuschalten‘, sodass das Virus nicht mehr produzieren kann.“ wenn es sich innerhalb der Pflanzenzelle befindet“, sagt Koorsen.

Die „Tags“ sind Methylgruppen. Jede Methylgruppe besteht aus einem Kohlenstoff- und drei Wasserstoffatomen. Die Tags heften sich an die Buchstabensequenzen CG, CHH und CHG auf der viralen DNA. Der „Tagging“-Prozess wird Methylierung genannt und ist ein bekannter Abwehrmechanismus in Pflanzen.

Im Laufe der Zeit sieht man in einer toleranten Pflanzenzelle dann immer mehr Markierungen an kritischen Teilen der DNA des Virus, und das Virus hört entweder auf zu replizieren oder repliziert sich langsam. Dies wird als epigenetische Stummschaltung durch Methylierung bezeichnet.

In der anfälligen Pflanzenzelle ist das Ty-1-Resistenzgen hingegen weniger aktiv. So können sich die tausenden infizierenden Viren der Weißen Fliege in der Pflanzenzelle vermehren. Mit der Zeit gibt es immer mehr Viren in der Pflanze und die Pflanze wird vollständig infiziert.

Beschleunigung der Verteidigung

„Wir haben jetzt einen Teil der ‚Tomatenverteidigungs-Toolbox‘. Ich bin gespannt darauf, herauszufinden, welche anderen Verteidigungswerkzeuge die Tomatenpflanzen haben und wie diese Werkzeuge zusammenwirken“, sagt Allie.

Da der Kampf zwischen Viren und Pflanzen nie endet, wird das Tomato-Curly-Stunt-Virus irgendwann mutieren, Tomatenpflanzen werden sich wehren und neue Computertechniken werden neue Möglichkeiten in der Pflanzenzüchtung schaffen, sagt Koorsen.

Bisher seien die Abwehrkräfte einer Tomatensorte mit denen einer anderen Sorte mithilfe standardmäßiger statistischer Analysen verglichen worden, fügt er hinzu.

Koorsen freut sich darauf, maschinelles Lernen (ML) und neue KI-Methoden zu erforschen, um auch Tomatensorten zu vergleichen.

„Ich bin gespannt, wie wir diese nutzen können, um mehr Einblick in die Abwehrkräfte von Pflanzen zu gewinnen

„Die Gigabytes an biologischen Daten, die in Studien wie dieser generiert werden“, sagt er.

###

Hinweise für die Redaktion:

Medienpaket

Hochauflösende Bilder (einschließlich der im Video verwendeten Fotos) sind verfügbar unter:

https://drive.google.com/drive/folders/1_dU3RUA3-zliVycnQegJCf6hSxtutJM8?usp=sharing

Es ist keine Anmeldung oder Registrierung am Computer erforderlich.

Grenzen der Pflanzenwissenschaft

10.3389/fpls.2023.1135442

Experimentelle Studie

Unzutreffend

Die Identifizierung der Methylierungsmuster des Tomato-Curly-Stunt-Virus in resistenten und anfälligen Tomatenlinien

6. Juni 2023

Die Autoren erklären, dass die Forschung in Abwesenheit jeglicher kommerzieller oder finanzieller Beziehungen durchgeführt wurde, die als potenzieller Interessenkonflikt ausgelegt werden könnten.

Haftungsausschluss: AAAS und EurekAlert! sind nicht verantwortlich für die Richtigkeit der auf EurekAlert veröffentlichten Pressemitteilungen! durch beitragende Institutionen oder für die Nutzung jeglicher Informationen über das EurekAlert-System.