Zuckerrüben (Beta vulgaris) tragen 14-20 % zur weltweit produzierten Rohsaccharose bei, während der Rest der Zuckerproduktion hauptsächlich aus Zucker stammt Zuckerrohr. Während Zuckerrohr die „durstigste Ernte“ der Welt ist, brauchen Rüben rund fünfmal weniger Wasser als Zuckerrohr. Rüben wurden von ihren wilden Verwandten domestiziert, Beta maritim um 8,500 v. Chr. für medizinische, Zier- und Futterzwecke und 1804 für seine zuckerhaltigen Eigenschaften.

Endogene Pararetroviren (EPRVs) wurden als die bezeichnet „Reisende mit zwei Gesichtern im Pflanzengenom“. Sie sind doppelsträngige DNA-Viren, die zur Vermehrung nicht in das Wirtsgenom integriert werden müssen. Im Vergleich dazu haben die meisten Pflanzenviren einzelsträngige RNA-Genome (ähnlich wie SARS-CoV-2). Pflanzen-EPRVs gehören zur Familie Caulimoviridae das während der Devon-Ära (320 MYA) entstanden sein könnte und mehrere verbreitete Viren enthält (z. B. Blumenkohlmosaikvirus, Dahlien-Mosaikvirus, Bananenstreifenvirus, Reis-Tungro-Bazillenvirus). Fast jede Gefäßpflanze und primitivere Taxa (Bärlappen, Farne und Gymnospermen) Genom enthält Fragmente dieses Virus. EPRVs können innerhalb von Pflanzen stumm sein, zu Virusinfektionen führen oder ihrem Wirt Virusresistenz verleihen. Es gibt viele Fragen zu ihrer Funktionsweise, aber Wissenschaftler können Fragmente von EPRVs in Pflanzengenomen als genomische fossile Aufzeichnungen früherer Virussequenzen und Invasionsereignisse verwenden.

In der neusten Studie Nico Schmidt und Kollegen von der Technischen Universität Dresden, der University of Leicester und den South China Botanical Gardens wollten Testen Sie das Genom der Zuckerrübe auf vergrabene, zerlegte und inaktivierte EPRVs.

Zuckerrübe (Beta vulgaris). Quelle: canva

Schmidt und Kollegen mussten zunächst rübenspezifische EPRVs (beetEPRVs) identifizieren und abschätzen, wie viel sie zum Genom der Rübe beitragen. Sie stellten 16 öffentlich zugängliche EPRV-Sequenzen aus acht Gattungen der Caulimoviridae zusammen, die sich auf zwei genomische Regionen (Bewegungsprotein und reverse Transkriptase) konzentrierten, und durchsuchten sie in einer kürzlich konstruierten Zuckerrüben-Genomanordnung.

Zweitens untersuchten die Forscher, ob beetEPRVs in einer anderen öffentlich zugänglichen Datenbank transkribiert werden, und suchten nach einem möglichen epigenetischen Gen-Silencing durch den Wirt.

Drittens eine Zuckerrübe und sieben weitere eng verwandte Pflanzenarten (z. B. maritima, Spinat und Quinoa) wurden für weitere Analysen in Gewächshäusern angebaut. Die Forscher suchten nach einer Gruppe von Rüben-EPRVs innerhalb der DNA der acht Pflanzen und hybridisierten dann Rüben-EPRV-spezifische Sonden mit den 18 Chromosomen der Zuckerrübe und visualisierten sie mit Fluoreszenzmikroskopie.

Der Stammbaum der Caulimoviridae ordnet die drei BeetEPRV-Gruppen innerhalb der Florendoviren ein. Die Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) zeigt das Vorhandensein von beetEPRV3 auf allen Rübenchromosomen (farbige Flecken, die zu zwei genetischen Regionen gehören, RT und MP).

Schmidt und Kollegen entdeckten, dass Rüben-EPRVs etwa 0.3 % der ausmachen B. vulgaris Genom basierend auf den beiden genomischen Regionen. Die phylogenetische Analyse von 119 beetEPRVs identifizierte drei unterschiedliche genetische Gruppen (beetEPRV1, beetEPRV2 und beetEPRV3). Obwohl sich die Gruppen in ihrer Struktur unterschieden, gehörten sie alle zu den Florendoviren.

In allen wurde die Gruppe beetEPRV3 gefunden B. vulgaris Genome und in verwandten beta Art, aber nicht in anderen eng verwandten Arten (Quinoa, Spinat).

„Insgesamt könnte dies auf eine initiale beetEPRV3-Integration in das Rübengenom nach der Teilung der Abschnitte hindeuten Corollinae/Nanae von beta ca. Vor 13.4 bis 7.2 Millionen Jahren und vor der Speziation innerhalb des Abschnitts beta“, schreiben Schmidt und Kollegen.

Es mag rätselhaft erscheinen, wie die Pflanze verhindert, dass das Virus im Wirt Krankheiten verursacht. Eine genauere experimentelle Studie ergab, dass Rüben einige Methoden verwendet. Das Team fand heraus, dass kleine RNAs an der epigenetischen Stummschaltung der Rüben-EPRVs durch die Wirtspflanzen beteiligt sind.

„Der Wirt der Zuckerrübe wendet drei Strategien an, um die Kopien des Rüben-EPRV abzuschalten“, schreiben die Autoren, „und damit eine erneute Infektion zu verhindern: heterochromatisches Vergraben, epigenetische Stilllegung und strukturelle Demontage. Damit sind EPRVs in Rüben ein Beispiel für die vollständige Assimilation und Inaktivierung eines Pflanzenvirus im Wirtsgenom.“

Diese Studie erzählt anhand öffentlich zugänglicher Daten und Laborexperimente die komplizierte Geschichte, wie eine angebaute Nutzpflanze heute Virusfragmente ihrer Vorfahren in ihrem Genom „verwaltet“. Der Manuskript wird eingeweiht Prof. Thomas Schmidt, der 2019 verstorben ist.

„Die Identifizierung von beetEPRVs beschäftigt Thomas, seine Gruppe und seine Mitarbeiter schon seit 20 Jahren. Eine Reihe von Menschen hat uns geholfen, an diesen Punkt zu gelangen, und wir danken ihnen für ihre anfängliche Arbeit“, schreiben Schmidt und Kollegen in der Danksagung.

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