Fusarium xylarioides, пренасяна от почвата гъба, причинява „болест на увяхване на кафето“, която има история на причиняване на значителни щети на кафеените култури. Имаше огнища на болестта през 1920-те години на миналия век, които бяха управлявани по подходящ начин. Въпреки това, болестта се сля отново своевременно, което доведе до огнища, които причиниха сериозни щети на реколтата. По-ранни проучвания показват, че гъбичният вид причинител може да е еволюирал чрез придобиване на гени от сродни видове. Проучване, публикувано на 5 декември 2024 г., потвърди, че повторното появяване на огнища на болестта на увяхването на кафето се дължи на хоризонтални трансфери на гени от свързания гъбичен вид Fusarium oxysporum към причинителя на вида Fusarium xylarioides, което позволи на причинителя на гъбичния вид да се развие и да придобие подходящи признаци за заразяване на културите, водещи до повторна поява на огнища и увреждане на кафеените растения.
В генното инженерство нов ген или ДНК се прехвърлят изкуствено в клетката на организма с помощта на вектори като плазмиди или модифицирани вируси за въвеждане на нови способности в организма.
В природата трансферът на гени или предаването на генетична информация се извършва при вертикално възпроизвеждане от родители към потомци надолу. Това е обща черта при еукариотите, която им позволява да придобият вариации за адаптиране и еволюция. При прокариотите, като например при бактериите обаче, генетичните материали се прехвърлят хоризонтално (или странично) между организми от едно и също поколение, без да се включва възпроизвеждане. Това се нарича хоризонтален генен трансфер (HGT) и е единственият начин, по който бактериите могат да придобият нови гени, за да се адаптират към негативния натиск за селекция и да се развиват за оцеляване. Това може да стане чрез пренасяне на ДНК от околната среда и интегрирането й в бактериална хромозома или плазмид (трансформация). Гените могат също така да се прехвърлят хоризонтално от една бактерия в друга чрез вирус, заразяващ бактериите, или бактериофаги (трансдукция) или чрез директно хоризонтално прехвърляне на гени от донорна бактериална клетка към реципиентна клетка чрез полов пилус (конюгация).
Въпреки че се наблюдава предимно при прокариоти, хоризонталният генен трансфер е свързан и с еукариотите. Известно е, че ендосимбиозата е изиграла роля в еволюцията на еукариотите чрез генен трансфер между бактерии и еукариоти. Документирани са няколко случая на трансфер на ген еукариот - еукариот.
Феноменът на хоризонталния генен трансфер е важен, защото допринася за еволюцията. Например, това е отговорно за развитието на устойчиви на антибиотици/мултирезистентни щамове на бактерии, което е основен проблем за общественото здраве. В селското стопанство отдавна се подозира ролята на хоризонталния трансфер на гени между сродни гъбични видове при повторната поява на огнища на болестта на увяхването на кафето.
Болест на увяхването на кафето
Кафето е важна търговска култура. Глобалният му пазарен размер се оценява на около 223 милиарда долара. Кафееното растение принадлежи към рода Coffea. Има много видове, но видовете Арабика и Робуста са най-популярните, които представляват по-голямата част от световното производство. Coffea arabica представлява 60–80% от световното производство на кафе, докато Coffea canephora (известен като Coffea robusta) представлява около 20-40%.
Болестта на увяхването на кафето се причинява от гъбички, пренасяни от почвата Fusarium xylarioides който навлиза през корените на културата, за да колонизира ксилемата, разграждайки клетъчните стени за хранителни вещества. Той блокира поемането на вода, което води до увяхване на растенията. Свързаната гъбичка Fusarium oxysporum също е пренасян от почвата патоген, който се разпространява през заразена почва и е отговорен за болестта на увяхване при много култури, като Панамска болест при банани, съдово увяхване на домати и др. F. oxysporum живее върху други растения (като банан), отглеждани заедно с кафе за сянка, но споделя кафе като домакин F. xylarioides.
От 1920-те години на миналия век кафеените култури в Африка страдат от периодични огнища на болестта на увяхването с вредно въздействие върху кафето производство и поминъка на фермерите, особено в Етиопия и Централна Африка. Най-ранните огнища през 1920-те години на миналия век бяха успешно управлявани с помощта на подходящи средства, но болестта се появи отново през 2000-те години. Направи ли гъбичките причинител Fusarium xylarioides претърпяват еволюция след първоначалните огнища през 1920-те години на миналия век, така че да подобрят способността за заразяване на кафеените растения, което води до повторна поява на огнища? Имаше данни от проучвания, че F. xylarioides придобити гени за подобряване на способността за заразяване.
Историческо геномно проучване, публикувано през 2021 г., подкрепи идеята, че кафеените растения арабика и робуста частично са придобили отделни ефекторни гени чрез хоризонтален трансфер от F. oxysporum. Ефекторните гени кодират молекули, участващи в установяването на болестта. Тези гени се експресират през целия жизнен цикъл на гъбичките, за да поддържат болестния процес.
В скорошното проучване, публикувано на 5 декември 2024 г., изследователите проведоха сравнителен геномен анализ на 13 исторически щама на F. oxysporum за да разберем как гъбичките, причиняващи болести, са еволюирали и се адаптирали към кафеените растения гостоприемници. Установено е, че F. Xylarioides има четири различни линии: една, адаптирана към растения кафе арабика, една адаптирана към растения кафе робуста и две исторически линии, които са живели на свързани видове кафе. Освен това, тези щамове са придобили критични гени от родствени F. oxysporum, което позволи на причиняващите болести F. xylarioides за разграждане на клетъчните стени на кафеените растения, за да причини болест на увяхването. Хоризонталният трансфер на ген еукариот-еукариот от F. oxysporum да се F. xylarioides позволи на първия да зарази кафеените растения ефективно което прави възможна повторната поява на болестта „увяхване на кафето“.
Това разбиране за това как се причинява болестта може да бъде полезно за фина настройка на земеделските практики и по-ефективно управление на болестите по растенията.
***
Литература:
- Университет на Колорадо Денвър. Хоризонтален трансфер на гени – ръководство за дейности. Наличен в https://www.ucdenver.edu/docs/librariesprovider132/a-sync_sl/genetics/upload-2/bacterial-genetics/horizontal-gene-transfer-activity-guide.pdf
- Keeling, P., Palmer, J. Хоризонтален генен трансфер в еукариотната еволюция. Nat Rev Genet 9, 605–618 (2008). https://doi.org/10.1038/nrg2386
- Peck, LD, et al. Историческата геномика разкрива еволюционните механизми зад множество огнища на специфичния за гостоприемника патоген на увяхване на кафето Fusarium xylarioides. BMC Genomics 22, 404 (2021). Публикувано: 04 юни 2021 г. DOI: https://doi.org/10.1186/s12864-021-07700-4
- Peck LD, et al. Хоризонталните трансфери между гъбични видове Fusarium допринесоха за последователни огнища на болестта на увяхването на кафето. Биология на PLoS. Публикувано: 5 декември 2024 г. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002480
***
