Fusarium xylarioides, почвенный гриб, вызывающий «кофейное увядание», который имеет историю причинения значительного ущерба посевам кофе. Вспышки заболевания были в 1920-х годах, которые были надлежащим образом контролированы. Однако со временем заболевание снова объединилось, что привело к вспышкам, которые нанесли серьезный ущерб посевам. Более ранние исследования показали, что возбудитель грибкового вида мог эволюционировать, приобретая гены от родственного вида. Исследование, опубликованное 5 декабря 2024 года, подтвердило, что повторное возникновение вспышек кофейного увядания было вызвано горизонтальным переносом генов от родственного вида грибкового вида Fusarium oxysporum к возбудителю Fusarium xylarioides, что позволило возбудителю грибкового вида эволюционировать и приобрести подходящие признаки для заражения посевов, что привело к повторному возникновению вспышек и повреждению растений кофе.
В генной инженерии новый ген или ДНК искусственно переносится в клетку организма с использованием векторов, таких как плазмиды или модифицированные вирусы, для придания организму новых возможностей.
В природе передача генов или генетической информации происходит при вертикальном воспроизведении от родителей к потомкам на протяжении поколений. Это общая черта эукариот, которая позволяет им приобретать вариации для адаптации и эволюции. Однако у прокариот, таких как бактерии, генетические материалы передаются горизонтально (или латерально) между организмами одного поколения без участия в воспроизведении. Это называется горизонтальным переносом генов (ГПГ) и является единственным способом, которым бактерии могут приобретать новые гены, чтобы адаптироваться к отрицательному отбору и эволюционировать для выживания. Это может происходить путем переноса ДНК из окружающей среды и ее интеграции в бактериальную хромосому или плазмиду (трансформация). Гены также могут переноситься горизонтально от одной бактерии к другой с помощью вируса, заражающего бактерии, или бактериофагов (трансдукция) или путем прямого горизонтального переноса генов из донорской бактериальной клетки в реципиентную клетку через половые пили (конъюгация).
Хотя горизонтальный перенос генов наблюдается преимущественно у прокариот, он также связан с эукариотами. Известно, что эндосимбиоз сыграл роль в эволюции эукариот посредством переноса генов от бактерий к эукариотам. Было задокументировано несколько случаев переноса генов от эукариот к эукариотам.
Феномен горизонтального переноса генов имеет важное значение, поскольку он вносит вклад в эволюцию. Например, он отвечает за развитие штаммов бактерий, устойчивых к антибиотикам/множественному количеству лекарственных средств, что является серьезной проблемой общественного здравоохранения. В сельском хозяйстве роль горизонтального переноса генов между родственными видами грибов давно подозревается в повторном возникновении вспышек заболевания кофейным увяданием.
Кофейное увядание
Кофе — важная коммерческая культура. Его мировой размер рынка оценивается примерно в 223 миллиарда долларов. Кофейное растение относится к роду Coffea. У него много видов, но наиболее популярны виды Арабика и Робуста, на которые приходится большая часть мирового производства. Coffea arabica приходится 60–80% мирового производства кофе, в то время как Coffea canephora (широко известный как Coffea robusta) составляет около 20–40%.
Заболевание кофейного увядания вызывается почвенным грибком. Fusarium xylarioides (Фузариум ксилариоидес) который проникает через корни растений, чтобы колонизировать ксилему, разрушая клеточные стенки для получения питательных веществ. Он блокирует поглощение воды, что приводит к увяданию растений. Связанный гриб Fusarium oxysporum также является почвенным патогеном, который распространяется через зараженную почву и вызывает увядание многих культур, например, панамскую болезнь бананов, сосудистое увядание томатов и т. д. Ф. оксиспорум живет на других растениях (например, банане), посаженных вместе с кофе для создания тени, но делит кофе с Ф. ксиляриовидный.
Начиная с 1920-х годов кофейные культуры в Африке периодически страдали от вспышек болезни увядания, которые оказывали пагубное воздействие на урожай кофе. производство и средства к существованию фермеров, особенно в Эфиопии и Центральной Африке. Самые ранние вспышки в 1920-х годах были успешно купированы с помощью соответствующих средств, однако болезнь возобновилась в 2000-х годах. Гриб-возбудитель Fusarium xylarioides (Фузариум ксилариоидес) претерпевают эволюцию после первых вспышек в 1920-х годах, чтобы усилить способность заражать кофейные растения, что приводит к повторному возникновению вспышек? Были получены данные из исследований, что F. xylarioides приобретенные гены для повышения способности к инфицированию.
Исследование исторической геномики, опубликованное в 2021 году, подтвердило идею о том, что растения кофе арабика и робуста частично приобрели различные эффекторные гены посредством горизонтального переноса от Ф. оксиспорум. Эффекторные гены кодируют молекулы, участвующие в установлении болезни. Эти гены экспрессируются на протяжении всего жизненного цикла грибов, чтобы поддерживать процесс болезни.
В недавнем исследовании, опубликованном 5 декабря 2024 года, ученые провели сравнительный геномный анализ 13 исторических штаммов Ф. оксиспорум понять, как грибок, вызывающий болезнь увядания, эволюционировал и адаптировался к своему хозяину — кофейным растениям. Было обнаружено, что F. Ксилариоидес имеет четыре различных линии: одна адаптирована к растениям кофе арабика, одна адаптирована к растениям кофе робуста и две исторические линии, которые жили на родственных видах кофе. Кроме того, эти штаммы приобрели критические гены от родственных Ф. оксиспорум, что позволило вызвать болезнь F. xylarioides для разрушения клеточных стенок кофейных растений, чтобы вызвать болезнь увядания. Эукариото-эукариотический горизонтальный перенос генов от Ф. оксиспорум в F. xylarioides позволил первому эффективно заражать кофейные растения что делает возможным повторное возникновение болезни кофейного увядания.
Понимание причин возникновения заболевания может оказаться полезным для совершенствования методов ведения сельского хозяйства и более эффективной борьбы с болезнями растений.
Ссылки:
- Университет Колорадо в Денвере. Горизонтальный перенос генов – руководство по деятельности. Доступно на https://www.ucdenver.edu/docs/librariesprovider132/a-sync_sl/genetics/upload-2/bacterial-genetics/horizontal-gene-transfer-activity-guide.pdf
- Килинг, П., Палмер, Дж. Горизонтальный перенос генов в эволюции эукариот. Nat Rev Genet 9, 605–618 (2008). https://doi.org/10.1038/nrg2386
- Пек, Л. Д. и др. Историческая геномика раскрывает эволюционные механизмы, лежащие в основе множественных вспышек специфичного для хозяина возбудителя кофейного увядания Fusarium xylarioides. BMC Genomics 22, 404 (2021). Опубликовано: 04 июня 2021 г. DOI: https://doi.org/10.1186/s12864-021-07700-4
- Пек Л.Д. и др. Горизонтальные переносы между видами грибов рода Fusarium способствовали последовательным вспышкам заболевания кофейным увяданием. PLoS Biology. Опубликовано: 5 декабря 2024 г. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002480
