Ирландский картофельный голод 1840-х годов является суровым напоминанием о разрушительном воздействии болезней растений на продовольственную безопасность. Фитофтороз, опустошивший картофельные посевы Ирландии, вызванный патогеном Фитофтора инфестанс, привели к повсеместному голоду и сокращению населения. Однако битва между картофелем и этим патогеном не закончилась в 19 веке. Фактически, борьба продолжается и сегодня, поскольку селекционеры и ученые стремятся опередить эволюционирующий патоген.
Недавнее исследование Университета штата Северная Каролина пролило новый свет на эту эволюционную гонку вооружений. Опубликовано в Природа связи, это исследование является первым, в котором одновременно анализируются как гены устойчивости растения картофеля, так и эффекторные гены патогена — те, которые помогают патогену заражать хозяина. Изучая ДНК из исторических листьев картофеля, исследователи смогли проследить совместную эволюцию как растения, так и патогена за последнее столетие.
Новаторский подход
Исследовательская группа под руководством бывшей аспирантки Эллисон Кумбер и профессора Жана Ристайно использовала передовую технологию, известную как целевое обогащенное секвенирование. Этот метод позволил им извлечь и проанализировать определенные фрагменты ДНК как из растения, так и из патогена, присутствующего в тех же образцах листьев. В традиционных исследованиях исследователи сосредотачивались либо на растении, либо на патогене, но этот двойной подход предлагал более полное представление об их взаимодействии.
Доктор Жан Ристайно, заслуженный профессор фитопатологии имени Уильяма Нила Рейнольдса в Университете штата Северная Каролина, подчеркнул новизну этого метода:
«Мы не смогли бы сделать эту работу 15 лет назад, потому что геномы не были секвенированы. Стратегия двойного обогащения позволила нам захватить целевые области как генома хозяина, так и генома патогена, даже в неравных количествах».
Исследование было сосредоточено на ФАМ-1 напряжение Фитофтора инфестанс, который был ответственен за ирландский картофельный голод и с тех пор продолжает наносить вред картофельным культурам во всем мире. Исследование показало, что этот штамм может противостоять картофельному растению R1 Ген устойчивости задолго до того, как селекционеры растений начали его использовать. Это говорит о том, что патоген уже подвергался воздействию подобных генов устойчивости в популяциях дикого картофеля, что дало ему преимущество в преодолении вмешательства человека.
Адаптация патогена
Одним из самых поразительных результатов исследования стала замечательная способность патогена эволюционировать в ответ на усилия по созданию устойчивости. Даже когда селекционеры растений вводили новые гены устойчивости, патогену удавалось оставаться на шаг впереди, изменяя свои эффекторные гены для поддержания своей инфекционной мощи. Исследование также показало, что патоген добавил набор хромосом между 1845 и 1954 годами, что, вероятно, способствовало его эволюционному успеху.
Однако не все эффекторные гены патогена изменились. Некоторые из них оставались на удивление стабильными в течение последнего столетия, что позволяет предположить, что они играют решающую роль в его выживании. Нацеливание на эти стабильные гены может стать потенциальной стратегией для будущих усилий по селекции растений.
Кумбер объяснил значение этих стабильных генов:
«После 100 лет вмешательства человека есть некоторые гены, которые не сильно изменились в патогене. Они очень стабильны, возможно, потому, что они действительно важны для патогена. Нацеливание на эти гены действительно затруднит патогену выработку противоположного ответа».
Значение для будущего разведения
Результаты исследования могут иметь далеко идущие последствия для будущих программ селекции картофеля. Понимая, как патоген развивался с течением времени, селекционеры могут разрабатывать более эффективные стратегии устойчивости. Например, они могут использовать гены устойчивости, которые доказали свою большую стабильность, или объединить несколько генов устойчивости из разных видов дикого картофеля — стратегия, известная как пирамидирование.
Доктор Ристайно отметил:
«Трудно 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 пирамидировать множественные гены устойчивости от разных диких хозяев».
Это исследование представляет собой значительный шаг вперед в продолжающейся борьбе с Фитофтора инфестанс и подчеркивает важность понимания как генетики растений, так и патогенов. Работа финансировалась несколькими грантами, включая поддержку Центра эволюционной медицины Triangle и Национального научного фонда.
Исследование, проведенное в Университете штата Северная Каролина, подчеркивает сложность взаимодействия растений и патогенов и проблемы, с которыми сталкиваются селекционеры при разработке устойчивой устойчивости. Поскольку гонка вооружений между растениями картофеля и Фитофтора инфестанс продолжается, это исследование дает важные идеи, которые могут привести к более устойчивым культурам в будущем. Нацеливание на стабильные эффекторные гены и использование стратегий, таких как генная пирамида, может предложить новые способы борьбы с одной из самых постоянных угроз сельскому хозяйству.
