Pathogen derived resistance to Potato virus Y: mechanisms and risks

Abstract

Patogeenivälitteinen, siirtogeeninen kestävyys perunan Y-virusta vastaan: mekanismit ja riskit Tuula Mäki-Valkama ja Jari P.T. Valkonen Helsingin yliopisto ja Ruotsin maatalouskorkeakoulu Perunan Y-virus (PVY) aiheuttaa maailmanlaajuisesti merkittäviä satotappioita Solanaceae-heimon viljelykasveissa kuten perunassa, tomaatissa, paprikassa ja tupakassa. Suomessa PVY on yksi tärkeimmistä perunan taudinaiheuttajista. Kasvustot voidaan suojata tehokkaasti PVY-tartunnalta vain käyttämällä PVY:ta kestäviä lajikkeita, sillä PVY:n leviäminen kirvojen välityksellä tapahtuu nopeasti ja tehokkaasti eikä sitä pystytä estämään kirvoja torjumalla. Virusgeenejä on siirretty kasveihin viruskestävyyden tuottamiseksi hieman yli kymmenen vuoden ajan. Myös PVY:ta kestäviä perunalajikkeita on tuotettu tällä tavoin käyttämällä PVY:n kuoriproteiinia, replikaasia, proteinaasia ja P1-proteiinia tuottavia geenejä. Kestävyys voi ilmetä täydellisenä kestävyytenä tartuntaa vastaan, vähäisenä viruspitoisuutena ja oireettomuutena tai oireiden hitaampana kehittymisenä. Kestävyyden ilmeneminen ei useimmissa tapauksissa edellytä virusproteiinin tuottamista siirtogeenisessä kasvissa. Siirtogeenin lähetti-RNA:n tuottaminen riittää, sillä se käynnistää lähetti-RNA:han tarkoin kohdistuvan hajotusmekanismin, nk. transkription jälkeisen geeninhiljentämisen (post-transcriptional gene silencing). Tämä mekanismi tunnistaa ja hajottaa myös viruksen, jonka perintöaines on RNA:ta ja jossa on siirtogeeniä vastaava geenialue. Ilmeisesti kasvien luonnolliset kestävyysgeenit, jotka tunnistavat viruksia, aiheuttavat samanlaisen mekanismin käynnistymisen, mikä johtaa kasvin toipumiseen virustartunnasta. Toisaalta viruksilla on havaittu olevan kyky estää geeninhiljentämiseen perustuvan kestävyysmekanismin toiminta. Vaihtokuorisuus, siirtogeenin lähetti-RNA:n osien siirtyminen viruksen perintöainekseen (rekombinaatio), sekä siirtogeenin tuottaman virusproteiinin kyky lisätä kasvia tartuttavan viruksen leviämistä kasvissa tai oireiden ankaruutta (synergia), ovat mahdollisia riskejä, jotka liittyvät virusgeenien käyttöön siirtogeenisissä kasveissa. Näitä riskejä voidaan vähentää käyttämällä siirtogeenejä, jotka eivät tuota proteiinia tai joista on poistettu proteiinin toiminnan kannalta tärkeät osat. Sekä patogeenivälitteiseen että luonnolliseen viruskestävyyteen liittyvän geeninhiljentämisen mekanismeja ei vielä täysin tunneta. Näiden mekanismien tutkiminen avaa uudenlaisia mahdollisuuksia kasvivirusten torjumiseksi. Tulevaisuudessa on myös mahdollista siirtää perunasta eristettyjä, luonnollisia PVY-kestävyysgeenejä virukselle alttiisiin lajikkeisiin. Luonnollisten kestävyysgeenien käyttö yhdessä erilaisten geeniteknisten taudinkestävyyssovellusten kanssa saattaisi olla tehokkain keino kasvien suojaamiseksi virustartunnoilta.

Since the concept of pathogen derived resistance (PDR) was proposed in 1985, genetic transformation of plants to express virus-derived sequences has been used to engineer resistance to many viruses. This paper reviews PDR approaches to Potato virus Y (PVY, type member of the genus Potyvirus). PDR to viruses operates often through RNA-mediated resistance mechanisms that do not require protein expression. Studies on the RNA-mediated resistance have led to the discovery of post-transcriptional gene silencing (PTGS), a mechanism that controls gene expression in eukaryotic cells and provides natural protection against virus infections. Viruses, in turn, can suppress the PTGS with some of their proteins, such as the helper component-proteinase protein of PVY. Expression of PVY proteins in transgenic plants entails a risk for heterologous encapsidation or synergism with viruses that infect the PVY-resistant transgenic plant. These risks are avoided using RNA-mediated resistance, but a risk still exists for recombination between the transgene transcript and the RNA genome of the infecting virus, which may create a virus with altered properties. The harmful consequences can be limited to some extent by removing functional motifs from the viral sequence used as a transgene.