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. Размерът на световния му пазар се оценява на около 223 милиарда долара. Кафееното растение принадлежи към рода Coffea. Има много видове, но видовете Арабика и Робуста са най-популярните, представляващи по-голямата част от световното производство. Coffea arabica представлява 60–80% от световното производство на кафе, докато Coffea canephora (известна като Coffea robusta) представлява около 20–40%.
Увяхването на кафето се причинява от почвена гъба Fusarium xylarioides , която прониква през корените на растението и колонизира ксилема, разграждайки клетъчните стени за хранителни вещества. Тя блокира усвояването на вода, което води до увяхване на растенията. Свързаната с нея гъба Fusarium oxysporum също е почвен патоген, който се разпространява през заразената почва и е отговорен за увяхването при много култури, като например Панамска болест при бананите, съдово увяхване по доматите и др. F. oxysporum живее върху други растения (като банани), засадени заедно с кафето за сянка, но споделя кафето като гостоприемник с F. xylarioides.
От 1920-те години на миналия век насам, кафеените култури в Африка периодично страдат от огнища на болестта увяхване с вредно въздействие върху производството на кафе и препитанието на фермерите, особено в Етиопия и Централна Африка. Най-ранните огнища през 1920-те години на миналия век са успешно овладени с подходящи средства, но болестта се появява отново през 2000-те години. Дали причинителят на болестта Fusarium xylarioides еволюира след първоначалните огнища през 1920-те години на миналия век, така че да подобри способността си да заразява кафеените растения, което да доведе до повторна поява на огнища? Проучванията показват, че F. xylarioides е придобил гени, за да подобри способността си да заразява.
Проучване в областта на историческа геномика, публикувано през 2021 г., подкрепя идеята, че растенията кафе арабика и робуста са придобили частично различни ефекторни гени чрез хоризонтален трансфер от F. oxysporum. Ефекторните гени кодират молекули, участващи в развитието на болести. Тези гени се експресират през целия жизнен цикъл на гъбичките, за да подпомогнат процеса на заболяването.
В неотдавнашно проучване, публикувано на 5 декември 2024 г., изследователи проведоха сравнителен геномен анализ на 13 исторически щама на F. oxysporum , за да разберат как гъбичките, причиняващи болестта увяхване, са еволюирали и се адаптирали към своите кафеени растения гостоприемници. Установено е, че F. Xylarioides има четири различни линии: една адаптирана към кафеени растения арабика, една адаптирана към кафеени растения робуста и две исторически линии, които са живели върху сродни видове кафе. Освен това, тези щамове са придобили критични гени от сродния F. oxysporum, което е позволило на причиняващия болестта F. xylarioides да разруши клетъчните стени на кафеените растения, за да причини болестта увяхване. Хоризонталният трансфер на гени от еукариотни еукариоти към F. xylarioides е позволил на първия да зарази ефективно кафеените растения, което е направило възможно повторното появяване на болестта увяхване по кафеените растения.
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
***
