Біотехнологічні аспекти молекулярної діагностики вірусів зернових культур

Ігор Антіпов, Афаг Алієва, Тофіг Алієв, Фаріда Сафарова, Лейлабеїм Сеїдова
Отримано: 22.12.2024 Доопрацьовано: 20.07.2025 Прийнято: 27.08.2025
Взято з Том 28, № 8, 2025 Сторінки: 76-88
Завантажити статтю Читати статтю

Анотація

Щорічне зниження врожайності зернових культур у багатьох регіонах світу через такі патогени, як вірус жовтої карликовості ячменю (BYDV), вірус смугастої мозаїки пшениці (WSMV) та вірус мозаїки зернових культур, що передається через ґрунт (SBCMV), підкреслює важливість вивчення їх поширення та контролю. Метою цього дослідження було виявлення закономірностей поширення вірусних інфекцій, що вражають зернові культури в Україні та Азербайджані. У дослідженні використовували зворотну транскрипцію з подальшою полімеразною ланцюговою реакцією (RT-PCR) та ізотермічну ампліфікацію за допомогою петлі (LAMP) для виявлення вірусів у зразках зернових культур. Результати показали високий рівень інфікування в обох країнах (51,1 % в Україні та приблизно 51 % в Азербайджані), причому домінуючим вірусом був BYDV. Були виявлені регіональні відмінності: в лісостеповій зоні України найпоширенішим був BYDV (41,5 %), тоді як у степовій зоні частіше виявлявся WSMV (25,9 %). В Азербайджані поширеність BYDV була нижчою (≤18,7 %), але частота SBCMV була вищою (до 20,4 %). Коінфекції були виявлені в 26,1 % інфікованих зразків в Україні та 18,9 % в Азербайджані, при цьому 23,7 % безсимптомних рослин в Україні та 18,5 % в Азербайджані дали позитивний результат на вірусний матеріал. Метод LAMP виявився ефективним для швидкої діагностики в польових умовах, продемонструвавши 100 % специфічність і понад 82 % чутливість. Отримані результати підкреслили необхідність розробки регіонально адаптованих стратегій боротьби з вірусними захворюваннями зернових культур. Практична цінність цієї роботи полягає в розробці рекомендацій щодо вдосконалення систем моніторингу та захисту рослин з урахуванням місцевих умов, що сприятиме підвищенню врожайності та продовольчої безпеки в регіоні

Ключові слова

полімеразна ланцюгова реакція; зворотна транскрипція; петльова ізотермічна ампліфікація; вірус мозаїки зернових культур, що передається через ґрунт; вірус жовтої карликовості ячменю; вірус смугастої мозаїки пшениці; орні землі; сільське господарство

  1. Abrahamian, P., Hammond, R.W., & Hammond, J. (2020). Plant virus-derived vectors: Applications in agricultural and medical biotechnology. Annual Review of Virology, 7, 513-535. doi: 10.1146/annurevvirology-010720-054958.
  2. Aghayev, J., & Samadova, E. (2022). Diseases of tomato in the conditions of Azerbaijan. The Eurasia Proceedings of Health, Environment and Life Sciences, 5, 106-111. doi: 10.55549/ephels.61.
  3. Aguilar-Marcelino, L., Mendoza-de-Gives, P., Al-Ani, L.K., López-Arellano, M.E., Gómez-Rodríguez, O., Villar-Luna, E., & Reyes-Guerrero, D.E. (2020). Using molecular techniques applied to beneficial microorganisms as biotechnological tools for controlling agricultural plant pathogens and pest. In Molecular aspects of plant beneficial microbes in agriculture (pp. 333-349). London: Academic Press. doi: 10.1016/B978-0-12-818469-1.00027-4.
  4. Aman, R., Mahas, A., Marsic, T., Hassan, N., & Mahfouz, M.M. (2020). Efficient, rapid, and sensitive detection of plant RNA viruses with one-pot RT-RPA-CRISPR/Cas12a assay. Frontiers in Microbiology, 11, article number 610872. doi: 10.3389/fmicb.2020.610872.
  5. Andreychenko, S., Kurchii, B., & Klepko, A. (2024). Ethylene and fatty acids as markers of stress resistance in winter wheat. Biological Systems: Theory and Innovation, 15(1), 84-90. doi: 10.31548/biologiya15(1).2024.007 [6] Bhanjadeo, M.M., Nayak, A.K., & Singh, N.R. (2023). Biomolecule integrated nanostructures for advanced diagnosis systems in viral disease management of crops. In Agricultural and environmental nanotechnology: Novel technologies and their ecological impact (pp. 251-286). Singapore: Springer. doi: 10.1007/978-981-19-

  6. 5454-2_9.

  7. Bhat, A.I., Aman, R., & Mahfouz, M. (2022). Onsite detection of plant viruses using isothermal amplification assays. Plant Biotechnology Journal, 20(10), 1859-1873. doi: 10.1111/pbi.13871.
  8. Cassedy, A., Parle-McDermott, A., & O’Kennedy, R. (2021). Virus detection: A review of the current and emerging molecular and immunological methods. Frontiers in Molecular Biosciences, 8, article number 637559. doi: 10.3389/fmolb.2021.637559.
  9. Chalam, V.C., Sharma, V.D., Sharma, R., & Maurya, A.K. (2020). Modern technologies for the diagnosis and assay of plants viruses. In L.P. Awasthi (Ed.), Applied plant virology: Advances, detection, and antiviral strategies

  10. (pp. 69-77). London: Academic Press. doi: 10.1016/B978-0-12-818654-1.00005-0.

  11. Convention on Biological Diversity. (1992, May). Retrieved from https://www.cbd.int/convention.
  12. Deepa, N., Adkar-Purushothama, C.R., & Sreenivasa, M.Y. (2021). Molecular technologies for the early detection of fungal phytopathogens associated with cereal crops. In J.S. Singh, S. Tiwari, C. Singh & A. Singh (Eds.), Microbes in land use change management (pp. 137-154). London: Elsevier. doi: 10.1016/B978-0-12-824448-7.00009-7.
  13. Dhiman, K., Sharma, D., Rana, S., Kumari, R., Thakur, A., & Thakur, K. (2024). Biotechnological tools for disease diagnostic. In K. Singh, R. Kaur & R. Deshmukh (Eds.), Biotechnological advances for disease tolerance in plants (pp. 239-268). Singapore: Springer. doi: 10.1007/978-981-99-8874-7_10.
  14. Dubrovna, O.V., Mykhalska, S.I., & Komisarenko, A.G. (2023). Use of RNA interference technology for improving economically valuable traits of cereal crops. Cytology and Genetics, 57(6), 587-610. doi: 10.3103/ S0095452723060026. [14] Havryliuk, L., Beznosko, I., Humennyi, D., Gentosh, D., & Bashta, O. (2024). Review of the main diseases of Solanum lycopersicum and methods of chemical control of pathogens. Ukrainian Black Sea Region Agrarian Science, 28(4), 32-40. doi: 10.56407/bs.agrarian/4.2024.32.
  15. Ibaba, J.D., & Gubba, A. (2020). High-throughput sequencing application in the diagnosis and discovery of plant-infecting viruses in Africa, a decade later. Plants, 9(10), article number 1376. doi: 10.3390/plants9101376.
  16. Jha, U.C., Nayyar, H., Chattopadhyay, A., Beena, R., Lone, A.A., Naik, Y.D., Thudi, M., Prasad, P., Gupta, S., Dixit, G., & Siddique, K.H. (2023). Major viral diseases in grain legumes: Designing disease resistant legumes from plant breeding and OMICS integration. Frontiers in Plant Science, 14, article number 1183505. doi: 10.3389/ fpls.2023.1183505.
  17. Jones, R.A., Coutts, B.A., Mackie, A.E., & Dwyer, G.I. (2005). Seed transmission of Wheat streak mosaic virus shown unequivocally in wheat. Plant Disease, 89(10), 1048-1050. doi: 10.1094/PD-89-1048.
  18. Kalimuthu, K., Arivalagan, J., Mohan, M., Christyraj, J.R., Arockiaraj, J., Muthusamy, R., & Ju, H.J. (2022). Point of care diagnosis of plant virus: Current trends and prospects. Molecular and Cellular Probes, 61, article number 101779. doi: 10.1016/j.mcp.2021.101779.
  19. Khassanova, G., et al. (2024). Zinc finger knuckle genes are associated with tolerance to drought and dehydration in chickpea (Cicer arietinum L.). Frontiers in Plant Science, 15, article number 1354413. doi: 10.3389/ fpls.2024.1354413.
  20. Kolade, O.A., Popoola, A.R., Igwe, D.O., & Adediji, A.O. (2022). Molecular diagnostics for plant viruses towards enhanced delivery of disease-free planting materials and germplasm exchange. In Agricultural biotechnology, biodiversity and bioresources conservation and utilization (pp. 179-200). Boca Raton: CRC Press.doi: 10.1201/9781003178880.
  21. Lyubchyk, S., Shapovalova, O., Lygina, O., Oliveira, M.C., Appazov, N., Lyubchyk, A., Charmier, A.J., Lyubchik, S., & Pombeiro, A.J.L. (2019). Integrated green chemical approach to the medicinal plant Carpobrotus edulis processing. Scientific Reports, 9(1), article number 18171. doi: 10.1038/s41598-019-53817-8.
  22. Malmstrom, C.M., & Shu, R. (2004). Multiplexed RT-PCR for streamlined detection and separation of barley and cereal yellow dwarf viruses. Journal of Virological Methods, 120(1), 69-78. doi: 10.1016/j.jviromet.2004.04.005.
  23. Marra, M., D’Errico, C., Montemurro, C., Ratti, C., Baldoni, E., Matic, S., & Accotto, G.P. (2022). Fast and sensitive detection of soil-borne cereal mosaic virus in leaf crude extract of durum wheat. Viruses, 15(1), article number 140. doi: 10.3390/v15010140.
  24. Miller, W.A., & Lozier, Z. (2022). Yellow dwarf viruses of cereals: Taxonomy and molecular mechanisms. Annual Review of Phytopathology, 60, 121-141. doi: 10.1146/annurev-phyto-121421-125135.
  25. Mishchenko, L.T., Dunich, A.A., Mishchenko, I.A., Dashchenko, A.V., Kozub, N.O., Kyslykh, T.M., & Molodchenkova, O.O. (2022). Wheat dwarf virus in Ukraine: Occurrence, molecular characterization and impact on the yield. Journal of Plant Diseases and Protection, 129, 107-116. doi: 10.1007/s41348-021-00552-w.
  26. Movsumov, I.S., Garayev, E.A., Baghdikian, B., Mabrouki, F., Herbette, G., Ollivier, E., Suleimanov, T.A., & Garayev, E.E. (2018). Flavonoids from Stachys annua growing in Azerbaijan. Chemistry of Natural Compounds, 54(2), 261-262. doi: 10.1007/s10600-018-2318-y.
  27. Raza, M., Hussain, Z., Abbas, F., Ashraf, M.A., Imene, H.H., & Riaz, T. (2024). Advanced strategies for detection and diagnosis of potato viruses: harnessing molecular innovations and digital tools for precision agriculture. Hosts and Viruses, 12, 39-46. doi: 10.17582/journal.hv/2025/12.39.46.
  28. Serikbaeva, A., Tnymbaeva, B., Mardar, M., Tkachenko, N., Ibraimova, S., & Uazhanova, R. (2021). Determining optimal process parameters for sprouting buckwheat as a base for a food seasoning of improved quality. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4(11-112), 6-16. doi: 10.15587/1729-4061.2021.237369.
  29. Sharma, J., Lager, P., & Kumar, Y. (2024). Techniques for detection and diagnosis of plant viruses: A review. Agricultural Reviews, 45(2), 274-281. doi: 10.18805/ag.R-2378.
  30. Sharma, S.K., Gupta, O.P., Pathaw, N., Sharma, D., Maibam, A., Sharma, P., Sanasam, J., Karkute, S.G., Kumar, S., & Bhattacharjee, B. (2021). CRISPR-Cas-Led revolution in diagnosis and management of emerging plant viruses: New avenues toward food and nutritional security. Frontiers in Nutrition, 8, article number 751512. doi: 10.3389/fnut.2021.751512.
  31. Singhal, P., Nabi, S.U., Yadav, M.K., & Dubey, A. (2021). Mixed infection of plant viruses: Diagnostics, interactions and impact on host. Journal of Plant Diseases and Protection, 128(2), 353-368. doi: 10.1007/s41348-020-00384-0.
  32. Snihur, H., Shevchenko, T., Shevchenko, O., & Kyrychenko, A. (2025). The role of seed transmission in the spread of cereal viruses: Global challenges and prevalent threats in Ukraine. Plant Protection Science, 61(3), 201-221. doi: 10.17221/51/2025-PPS.
  33. Solomiichuk, M., & Pikovskyi, M. (2025). Biological control of Alternaria and late blight of potatoes. Plant and Soil Science, 16(1), 52-60. doi: 10.31548/plant1.2025.52.
  34. Sõmera, M., Massart, S., Tamisier, L., Sooväli, P., Sathees, K., & Kvarnheden, A. (2021). A survey using highthroughput sequencing suggests that the diversity of cereal and barley yellow dwarf viruses is underestimated. Frontiers in Microbiology, 12, article number 673218. doi: 10.3389/fmicb.2021.673218.
  35. Sultanova, N., Rastgou, M., & Huseynova, I. (2024). Occurrence of single and mixed viral infections of grapevine (Vitis Spp.) in Azerbaijan. Polish Journal of Environmental Studies, 33(4), 4345-4353. doi: 10.15244/pjoes/176052.
  36. Xing, G., Zhang, W., Li, N., Pu, Q., & Lin, J.-M. (2022). Recent progress on microfluidic biosensors for rapid detection of pathogenic bacteria. Chinese Chemical Letters, 33(4), 1743-1751. doi: 10.1016/j.cclet.2021.08.073.
  37. Zahmanova, G., Aljabali, A.A., Takova, K., Toneva, V., Tambuwala, M.M., Andonov, A.P., Lukov, G., & Minkov, I. (2023). The plant viruses and molecular farming: how beneficial they might be for human and animal health? International Journal of Molecular Sciences, 24(2), article number 1533. doi: 10.3390/ijms24021533.
  38. Zhambakin, K., & Zhapar, K. (2020). Current status and prospects of plant biotechnology in Kazakhstan. Plant Biotechnology Reports, 14(2), 177-184. doi: 10.1007/s11816-020-00601-0.
  39. Zhang, S., & Vrient, A. (2020). Rapid detection of plant viruses and viroids. In L.P. Awasthi (Ed.), Applied plant virology: Advances, detection, and antiviral strategies (pp. 101-109). London: Academic Press. doi: 10.1016/B978-0-12-818654-1.00008-6.
  40. Zhu, Z., Li, R., Zhang, H., Wang, J., Lu, Y., Zhang, D., & Yang, L. (2022). PAM-free loop-mediated isothermal amplification coupled with CRISPR/Cas12a cleavage (Cas-PfLAMP) for rapid detection of rice pathogens. Biosensors and Bioelectronics, 204, article number 114076. doi: 10.1016/j.bios.2022.114076.
Antipov, I., Aliyeva, A., Aliyev, T., Safarova, F., & Seyidova, L. (2025). Biotechnological aspects of the molecular diagnosis of cereal crop viruses. Scientific Horizons, 28(8), 76-88. https://doi.org/10.48077/scihor8.2025.76