Naukowcy z North Carolina State University przedstawili wyniki badań genetycznych historycznych liści ziemniaków, ujawniając, w jaki sposób patogen głodu ziemniaczanego ewoluował, aby pokonać mechanizmy obronne roślin. Badanie to, w którym wykorzystano nowatorskie techniki sekwencjonowania DNA, dostarcza informacji, które mogą ukształtować przyszłe wysiłki w zakresie hodowli roślin mające na celu zwalczanie tego uporczywego patogenu.
Uniwersytet Stanowy Karoliny Północnej badacze dokonali przełomowych odkryć, badając materiał genetyczny historycznych liści ziemniaków.
Ich badanie podkreśla dynamiczną walkę ewolucyjną między roślinami ziemniaka a patogenem odpowiedzialnym za irlandzki głód ziemniaczany. Stosując innowacyjne DNA technik sekwencjonowania odkryli, w jaki sposób pewne szczepy patogenów mogą pokonać geny oporności, zanim w ogóle zostały one wykorzystane w hodowli, co sugeruje nowe kierunki przyszłych strategii rolniczych.
Rewolucyjne badanie genetyczne nad historyczną chorobą ziemniaków
Badając materiał genetyczny znaleziony w historycznych liściach ziemniaka, badacze z North Carolina State University ujawniają więcej na temat zmian ewolucyjnych zachodzących zarówno w ziemniakach, jak i patogenie, który spowodował głód ziemniaczany w Irlandii w latach czterdziestych XIX wieku.
W badaniu zastosowano podejście ukierunkowanego sekwencjonowania wzbogacania, aby jednocześnie zbadać zarówno geny odporności rośliny, jak i geny efektorowe patogenu – geny, które pomagają mu infekować żywicieli – w ramach pierwszej tego rodzaju analizy.
Historyczny okaz ziemniaka zebrany przez Davida Moore’a z Narodowego Ogrodu Botanicznego w Glasnevin w Irlandii, wykazujący zarazę późną. Źródło: Jean Ristaino, Uniwersytet Stanowy NC
Zaprezentowano innowacyjne techniki badania DNA
„Używamy małych kawałków historycznych liści z patogenem i innymi bakteriami; DNA jest pofragmentowane bardziej niż normalna próbka tkanki” – stwierdziła Allison Coomber, była doktorantka ze stanu NC i główna autorka artykułu. „Używamy małych kawałków o długości 80 par zasad niczym magnesu, aby wyławiać podobne kawałki w tej zupie DNA. Magnesy te służą do wyszukiwania genów odporności gospodarza i genów efektorowych patogenu.”
„To pierwsze badanie umożliwiające jednoczesne przyjrzenie się zmianom w ziemniakach i patogenach; zazwyczaj badacze zwracają uwagę na jedno lub drugie” – mówi Jean Ristaino, William Neal Reynolds, wybitny profesor patologii roślin na Uniwersytecie Stanowym Karoliny Północnej i współautor artykułu opublikowanego dzisiaj (5 sierpnia) w czasopiśmie Komunikacja przyrodnicza który opisuje badanie. „Zastosowana tutaj strategia podwójnego wzbogacania umożliwiła nam wychwycenie docelowych regionów genomów obu stron relacji gospodarz-patogen, nawet jeśli żywiciel i patogen były obecne w nierównych ilościach. Nie moglibyśmy wykonać tej pracy 15 lat temu, ponieważ genomy nie zostały zsekwencjonowane”.
Zaskakujące odkrycia dotyczące oporności patogenów
Wyniki badania pokazują, że patogen, Phytophthora infestans, jest bardzo skuteczny w zwalczaniu odporności na zarazę ziemniaka. Na przykład badanie pokazuje, że szczep patogenu FAM-1 miał zdolność pokonania odporności zapewnianej przez gen odporności R1 rośliny – jeszcze zanim hodowcy roślin zastosowali go u ziemniaków.
„Patogen byłby w stanie przeciwstawić się genowi oporności R1, nawet gdyby został zastosowany wiele lat wcześniej, prawdopodobnie dlatego, że miał kontakt z ziemniakiem posiadającym ten gen odporności w środowisku naturalnym” – powiedział Coomber.
Badanie pokazuje również, że wiele genów efektorowych patogenu pozostało stabilnych, chociaż wystąpiły różne mutacje zwiększające jego zdolność do infekowania, gdy hodowcy roślin próbowali wyhodować odporność – szczególnie po 1937 r., kiedy w Stanach Zjednoczonych i innych częściach rozpoczęto bardziej zorganizowane programy hodowli ziemniaków globu.
Konsekwencje dla przyszłej hodowli roślin
Badanie pokazuje również, że patogen dodał zestaw chromosomów między 1845 a 1954 rokiem, czyli okresem, w którym zbierano próbki roślin objęte badaniem.
„W tej pracy pokazujemy, że po 100 latach interwencji człowieka istnieją pewne geny, które w patogenie nie zmieniły się zbytnio” – powiedział Coomber. „Są potencjalnie bardzo stabilne, ponieważ nie zostały wyselekcjonowane lub są naprawdę ważne dla patogenu. Ukierunkowanie na te geny naprawdę utrudniłoby patogenowi wyewoluowanie przeciwnej reakcji”.
„Trudno prowadzić skuteczną hodowlę roślin, jeśli nie wiemy wystarczająco dużo o patogenie. Teraz, gdy wiemy, jakie efektory zmieniły się na przestrzeni czasu, hodowcy mogą być w stanie wykorzystać bardziej stabilne geny odporności lub zastosować piramidę wielokrotnych genów odporności od różnych dzikich żywicieli” – powiedział Ristaino.
„W tym właśnie widzę przyszłość tego typu badań – zastosowanie ich do powolnych zmian zjadliwości patogenów lub innych cech, takich jak oporność na środki grzybobójcze”.
Odniesienie: „Ewolucja Phytophthora infestans na żywicielu ziemniaczanym od czasu irlandzkiego głodu ziemniaczanego” 5 sierpnia 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-50749-4
Amanda C. Saville, specjalistka ds. badań i laboratorium w laboratorium Ristaino, jest również współautorką artykułu. Finansowanie pochodziło z grantu zalążkowego Triangle Center for Evolutionary Medicine, grantu szkoleniowego National Science Foundation AgBioFews nr 2018–1966 oraz grantu Grip4PSI nr 557299.
