Віруси рослин: як вчені борються за врожай і продовольчу безпеку

Після пандемії COVID-19 увага громадськості до вірусів та їхнього впливу на здоров'я людини значно зросла. Проте набагато менше відомо про віруси, які вражають рослини — як шкідливі, так і потенційно корисні.

З 2007 року професор біологічних наук Університету Талси Ахтар Алі очолює дослідження шкідливих вірусів рослин, а також інших вірусів, які можуть виступати захисниками. Роботи цього вченого призвели до публікації понад 130 рецензованих наукових статей та двох книг. Він обіймає посаду старшого редактора журналів Plant Disease та PhytoFrontiers, академічного редактора PLOS ONE та асоційованого редактора Frontiers in Virology. Алі також редагував спеціальні випуски журналів Viruses та Pathogens.

Свої дослідження вчений проводить у Лабораторії вірусології Ахтара — сучасному науковому закладі, який надає можливості для наукових досліджень студентам та запрошеним науковцям.

Робота в лабораторії Алі зосереджена на вірусах, які вражають ключові продовольчі культури, такі як бавовна, гарбузові, перець, томати, соя та полуниця. «Шкідливі віруси рослин спричиняють серйозні захворювання цих культур, знижуючи врожайність та загрожуючи продовольчій безпеці», пояснив Алі. «Зосереджуючись переважно на цих культурах, які вирощують в Оклахомі та сусідніх штатах, наші головні цілі — виявляти нові вірусні захворювання та розробляти ефективні стратегії контролю».

За словами Алі, хвороби рослин спричиняють до 40 відсотків глобальних втрат врожаю. Це призводить до економічних збитків, які перевищують 220 мільярдів доларів щорічно. Міністерство сільського господарства США повідомляє, що неместеві патогени рослин завдають збитків на 21 мільярд доларів щороку.

«Щоб забезпечити продовольчу безпеку як вдома, так і в усьому світі, нам потрібні дослідження, які проводимо я та мої студенти в Університеті Талси», зазначив Алі. «Важливо розробляти ефективні стратегії управління, а також знаходити способи знищення цих патогенів у ґрунті».

Окрім продовольчих культур, Алі та кілька студентів під його керівництвом досліджують способи боротьби з вірусом розеткової хвороби троянд. Цей високоінвазивний патоген, який не так давно знищив Сад троянд у Талсі, спричиняє аномальний ріст рослинної тканини, включаючи відьмині мітли, надмірні шипи, збільшені стебла та деформовані листя і квіти. За оцінками, цей вірус коштує десятки мільйонів доларів щорічних втрат для американської індустрії троянд та декоративних квітів.

Алі є співкерівником багатоштатного проекту з розробки стійких ландшафтних троянд, що фінансується грантом Національного інституту продовольства та сільського господарства. В лабораторії докторант біологічних наук Калеб Паслей керує дослідженнями цього вірусу з боку Університету Талси. «Його основні завдання», пояснив він, «полягають у вивченні стійкості рослин до вірусу, дослідженні генетичного різноманіття популяції вірусу та оцінці його фізичного переміщення судинною системою рослини».

Не всі віруси рослин обов'язково є руйнівними. Другий напрямок роботи Алі передбачає вивчення міковірусів — вірусів, які інфікують гриби. Алі та інші вчені вважають, що міковіруси можуть діяти як біологічні агенти контролю проти грибкових патогенів.

Щоб зрозуміти цей потенціал, члени Лабораторії вірусології Ахтара виділяють міковіруси з грибів для вивчення їхнього впливу на ріст та вірулентність грибів. «Нас особливо цікавить їхнє застосування для управління основними грибковими захворюваннями, такими як фузаріозне в'янення кавунів та бавовни, а також вугільна гниль сої», зазначив Алі.

Його дослідження в цій галузі зробили значний крок вперед у 2017 році завдяки стипендії Фулбрайта, яка дозволила йому проводити дослідження міковірусів у лабораторії Нобухіро Судзукі в Університеті Окаями в Японії. У 2024 році Алі отримав стипендію Британського товариства фітопатології для проведення подальших досліджень міковірусів у лабораторії Іолі Котта-Лоїзу в Імперському коледжі Лондона. Алі та Котта-Лоїзу продовжують співпрацювати та планують подати заявку на великий грант до Національного наукового фонду.

За 18 років існування Лабораторія вірусології Ахтара надала студентам на всіх етапах їхньої освіти можливість брати участь у значущих наукових дослідженнях. Наприклад, з червня 2022 року студент-біолог Вішвеш Даял переважно вивчав віруси перцю. Серед його численних внесків були збір зразків з полів, розробка праймерів, екстракція РНК та ДНК, скринінг на наявність вірусів та спостереження за варіаціями симптомів у різних видів.

У своїй науковій роботі Паслей та його колеги зазвичай поділяють зусилля на три категорії: біологічна характеристика, молекулярна характеристика та обчислювальні аналізи. «Подібно до проекту геному людини, методи, які ми використовуємо — включаючи культивування вірусів та їх візуалізацію за допомогою електронної мікроскопії — спрямовані на отримання геному або його частин», сказав він. «Зрештою, ці зусилля підтримають краще розуміння біології, різноманітності та еволюції вірусів».

Ці зусилля вже приносять результати. На початку цього року Паслей, Даял та Алі стали співавторами рецензованої статті про виявлення, детекцію та філогенетичний аналіз ізолятів ендорнавірусу солодкого перцю, які інфікують рослини перцю в Оклахомі.

Багато членів лабораторії Алі продовжили значущу кар'єру після закінчення навчання. Дуланджані Віджаясекара, яка захистила докторську дисертацію у 2021 році, наразі є асистентом професора біології в Північно-Східному державному університеті. Під час докторських досліджень вона зосередилася на розумінні еволюції та молекулярної характеристики вірусу карликової мозаїки кукурудзи. Віджаясекара вважає, що лабораторія надала їй практичний досвід у секвенуванні нового покоління, складанні вірусного геному, анотації та еволюційному аналізі.

Самира Мохтарі, яка захистила докторську дисертацію у 2023 році, зараз є асистентом професора мікробіології в Університеті Камерона. «Під керівництвом доктора Алі я навчилася справді думати як вчений, ставити правильні запитання, шукати відповіді та слідувати за своєю цікавістю», сказала вона.

Успішна університетська лабораторія — це більше, ніж місце для проведення досліджень. Щоб бути справді ефективною, вона повинна бути привітним, підтримуючим середовищем, яке сприяє колегіальності та відкритому обміну ідеями. Для Паслея одним з найприємніших аспектів лабораторії є її підтримуюча та конструктивна атмосфера. «Ми всі походимо з різних середовищ, і ми всі прагнемо зробити один одного кращими», сказав він.

Даял підтверджує ці настрої: «Атмосфера лабораторії зосереджена на зростанні та навчанні. Водночас усі добре дружать один з одним, і під час проведення експериментів часто лунає багато сміху».