Массовая потеря генов связана со скрытным растениезависимым образом жизни патогена
Международная команда ученых, включая исследователей из Виргинского политехнического института, расшифровала генетический код патогена растений, вызывающего ложную мучнистую росу. Эти широко распространенные и разрушительные болезни наносят серьезный ущерб таким культурам, как кукуруза, виноград и салат. Статья, описывающая секвенирование генома патогена Hyaloperonospora arabidopsidis, который поражает модельное растение Arabidopsis thaliana, стала главной темой выпуска журнала Science.
В работе последовательность H. arabidopsidis сравнивается с другими полностью секвенированными геномами патогенов растений, чтобы выяснить различия в способах взаимодействия микробов с хозяином и их эволюцию. Результатом могут стать новые подходы к изучению механизмов заражения и, в долгосрочной перспективе, способы предотвращения многомиллиардных потерь для фермеров по всему миру.
Возбудители ложной мучнистой росы настолько специализированы для паразитирования на растениях, что не могут выжить без хозяина. Однако они являются близкими родственниками таких патогенов, как Phytophthora ramorum (возбудитель внезапной гибели дуба), который может атаковать сотни видов, но также способен выживать вне хозяина, питаясь мертвой растительной материей. Сравнение генетической последовательности H. arabidopsidis с другими родственными патогенами, такими как P. ramorum, выявило массовую потерю генов, связанную с растениезависимым образом жизни микроба.
«Некоторые патогены растений, такие как H. arabidopsidis, должны поддерживать жизнь хозяина на протяжении всего цикла заражения, чтобы выжить», — сказал Бретт Тайлер, профессор Виргинского биоинформатического института и один из ведущих авторов исследования. — «Другие, включая виды Phytophthora, которые уничтожают посевы сои и картофеля, а также дубовые леса, поддерживают жизнь растений часть времени, а затем убивают и поглощают растительную ткань. Теперь, имея последовательность генома облигатного паразита из этого семейства патогенов, мы можем использовать эту информацию для нацеливания на общие гены, которые можно было бы использовать для создания новых, широко эффективных стратегий борьбы с болезнями».
Возбудители ложной мучнистой росы и фитофторы — это оомицеты, грибоподобные организмы, произошедшие от морских водорослей. Наличие нескольких последовательностей геномов оомицетов — важный шаг, позволяющий ученым составить картину эволюционной «гонки вооружений» между хозяином и патогеном.
«Многие патогены растений содержат большие семейства родственных генов, которые служат мощным оружием, но также могут вызывать столь же мощные иммунные ответы у растения», — прокомментировал Джон Макдауэлл, доцент кафедры патологии, физиологии и науки о сорняках Виргинского политехнического института и один из руководителей проекта. — «Наши сравнения нескольких геномов показали, что многие из этих семейств генов были уменьшены в размере или полностью утрачены у H. arabidopsidis. Эта эволюция в сторону скрытности помогает объяснить, почему эта мучнистая роса и ее родственники широко распространены и вызывают болезни на многих важных культурах».
Геномная последовательность H. arabidopsidis выявила большое количество эффекторных белков — молекул, которые проникают в клетки растений, чтобы подавить иммунитет. Также обнаружено повсеместное сокращение числа генов, связанных с деградационными ферментами и другими молекулами, участвующими в метаболизме азота и серы. Это говорит о том, что H. arabidopsidis избавилась от многих генов, необходимых для жизни вне растения, сосредоточившись на генах, которые помогают ей скрытно захватывать контроль над клетками хозяина. Фактически, почти 7000 предсказанных генов в последовательности не имели аналогов в геномных последовательностях ее менее специализированных родственников из рода Phytophthora.
Массовая потеря генов, очевидная в геноме H. arabidopsidis, даст множество подсказок об эволюционной адаптации, необходимой патогену для полной зависимости от растения-хозяина. Полное понимание взаимодействий хозяин-патоген должно привести к разработке новых способов защиты урожая от потерь, вызванных болезнями. Это также может помочь выявить новые мишени для контроля патогенов и способствовать созданию новых устойчивых к болезням сортов.
Кроме того, несколько возбудителей ложной мучнистой росы внесены в список потенциальных биотерористических угроз сельскому хозяйству США. Понимание того, как эти патогены атакуют сельскохозяйственные растения, должно позволить принять превентивные меры.