Патоген Phytophthora infestans, вызывающий разрушительную болезнь фитофтороз картофеля, славится своей эволюционной изобретательностью для трансформации в более заразные штаммы. В первом исследовании, когда ученые одновременно изучали исторический генетический материал фитофторы и картофеля, выяснилось, каким образом патоген смог предвосхитить усилия селекционеров по выведению сортов картофеля с устойчивостью к фитофторе.
эксклюзив 🔹
В ходе изучения генетического материала, обнаруженного в исторической коллекции листьев картофеля, исследователи из Университета штата Северная Каролина получили новую информацию о взаимных эволюционных изменениях, произошедших как в растениях картофеля, так и в патогене, вызвавшем ирландский картофельный голод 1840-х годов.
В 1843 году фитофтора поразила картофель в США, а два года спустя, в 1845 году, патоген распространился в Европу, вызвав разрушительную болезнь картофеля. Эта эпидемия (1845–1852) имела серьезные последствия в Ирландии, приведя к великому ирландскому голоду, в результате которого погибло около 1 миллиона человек, и эмиграции еще 1 миллиона человек, поскольку картофель был основным продуктом питания. Великий ирландский картофельный голод оставил долгосрочные последствия, поскольку население Ирландии так и не восстановилось до уровня, предшествовавшего голоду, и миллионы людей потеряли земли, которые обрабатывались в течение поколений.
Ответственный за это фитопатоген был идентифицирован в 1846 году М. Дж. Беркли и впоследствии переименован в Phytophthora infestans в 1876 году немецким ботаником и микробиологом, отцом фитопатологии Генрихом Антоном де Бари.
Патоген является оомицетом и может размножаться клональным и половым путем. Клональная линия P. infestans, вызвавшая ирландский голод, была названа FAM-1 и впоследствии ее постепенно вытеснила линия US-1 в 1930–1950-х годах.
До сих пор Phytophthora infestans продолжает угрожать производству картофеля и томатов во всем мире, требуя использования дорогостоящих фунгицидов для борьбы.
За последние 180 лет обширные усилия были сосредоточены на разработке устойчивых сортов Solanum tuberosum для борьбы с этим заболеванием. Несмотря на обнаружение нескольких генов устойчивости (R) у диких родственников пасленовых, достижение длительной устойчивости к патогену оставалось сложной задачей. Как и другие растительные патогены, P. infestans использует эффекторные белки для облегчения колонизации растений-хозяев. Многие из этих эффекторов содержат специфический аминокислотный мотив, известный как мотив RXLR (аргинин – любая аминокислота – лейцин – аргинин). В ответ на это растения-хозяева выработали R-белки, которые распознают эти эффекторные белки RXLR, вызывая иммунный ответ, который останавливает прогрессирование заболевания. Эффекторы, распознаваемые генами R, называются «факторами авирулентности», и эта система ответа ген-на-ген объясняет специфическую устойчивость определенных генотипов хозяина к различным штаммам патогенов.
В исследовании Университета штата Северная Каролина учеными использовался подход целевого обогащения секвенирования для одновременного изучения как генов устойчивости растения, так и эффекторных генов патогена — генов, которые помогают ему заражать хозяев, — в ходе первого в своем роде анализа.
«Мы используем небольшие кусочки исторических листьев с патогеном и другими бактериями на них; ДНК фрагментирована сильнее, чем в обычном образце ткани. Мы используем небольшие фрагменты из 80 пар оснований, как магнит, чтобы вылавливать похожие фрагменты в этом супе ДНК. Эти магниты используются для поиска генов устойчивости у хозяина и эффекторных генов у патогена», — рассказывает Эллисон Кумбер, бывший аспирант Университета Северной Каролины и ведущий автор статьи.
«Это первый случай одновременного изучения изменений картофеля и патогенов, так как обычно исследователи изучают либо то, либо другое. Использованная здесь стратегия двойного обогащения позволила нам захватить целевые области геномов обеих сторон отношений хозяин-патоген, даже когда хозяин и патоген присутствовали в неравных количествах. Мы не смогли бы выполнить эту работу 15 лет назад, поскольку геномы не были секвенированы», — говорит Жан Ристайно, заслуженный профессор кафедры фитопатологии имени Уильяма Нила Рейнольдса в Университете штата Северная Каролина и соавтор статьи в журнале Nature Communications, в которой описывается это исследование.
Результаты исследования показывают, что патоген Phytophthora infestans очень хорошо преодолевает устойчивость картофеля к фитофторозу. Например, ученые выяснили, что штамм FAM-1 патогена обладал способностью преодолевать устойчивость, обеспечиваемую геном устойчивости растения R1 — еще даже до того, как селекционеры растений внедрили его в картофель.
«Патоген мог бы противостоять этому гену устойчивости R1, даже если бы он был внедрен несколькими годами ранее, вероятно, потому, что он подвергся воздействию родственников картофеля с этим геном устойчивости в дикой природе», — сказал Кумбер.
Исследование также показывает, что патоген добавил себе набор хромосом в период между 1845 и 1954 годами — периодом времени, в который были собраны образцы растений для исследования.
Тем не менее, работа также показывает, что многие из эффекторных генов патогена остались стабильными, хотя произошли различные мутации, которые повысили его инфекционную способность, поскольку селекционеры растений пытались вывести устойчивость, особенно после 1937 года, когда в Соединенных Штатах и других частях света начались более структурированные программы селекции картофеля.
«В этой работе мы показываем, что после 100 лет вмешательства человека есть некоторые гены, которые не сильно изменились в патогене. Они потенциально очень стабильны, потому что они не были отобраны или потому что они действительно важны для патогена. Нацеливание на эти гены действительно затруднит патогену выработку противоположного ответа», — пояснил Кумбер.
«Сложно заниматься эффективной селекцией растений, когда мы недостаточно знаем о патогене. Теперь, когда мы знаем, какие эффекторы изменились с течением времени, селекционеры могут использовать гены устойчивости, которые более стабильны, или выстраивать пирамиду из множественных генов устойчивости от разных диких родственников картофеля. Именно в этом я вижу будущее этого типа исследований — в применении их к медленным изменениям вирулентности патогенов или другим признакам, таким как устойчивость к фунгицидам», — заключил Ристайно.
Источник: North Carolina State University. На фото вы видите исторический образец растения картофеля, собранный Дэвидом Муром в Национальном ботаническом саду в Гласневине, Ирландия, демонстрирующий болезнь фитофтороз. Автор фото: Жан Ристайно, Университет штата Северная Каролина.