Болезнь увядания кофейных деревьев, грибное заболевание, неоднократно меняло мировые поставки кофе на протяжении последнего столетия, и его последствия распространяются от африканских ферм до прилавков кафе и утренней чашечки с бодрящим напитком по всему миру.
Заражение грибом Fusarium xylarioides приводит к характерному «увяданию» кофейных растений, блокируя и снижая способность растения транспортировать воду. Эта блокировка в конечном итоге приводит к гибели растения. Некоторые из самых разрушительных патогенов растений в мире заражают своих хозяев именно таким образом.
С 1990-х годов вспышки этой болезни обошлись кофейной индустрии более чем в 1 миллиард долларов США , вынудили закрыть бесчисленное количество ферм и привели к резкому падению национального производства кофе.
В Уганде, одном из крупнейших производителей кофе в Африке, производство кофе не восстановилось до докризисного уровня до 2020 года, спустя десятилетия после того, как там впервые была обнаружена болезнь увядания кофе. А в 2023 году исследователи обнаружили доказательства того, что кофейная болезнь вновь появилась во всех регионах Кот-д`Ивуара, занимающихся производством кофе.
Изучение генетики патогенов растений имеет решающее значение для понимания причин повторного возникновения этого заболевания и способов предотвращения новой крупной вспышки.
Хотя на ранних этапах вспышки болезни увядания кофе поражали широкий спектр сортов, более поздние эпидемии в основном затронули два вида кофе, доминирующих сегодня на мировых рынках: арабику и робусту.
Впервые обнаруженная в 1927 году, болезнь увядания кофе уничтожила несколько сортов кофе, выращиваемых в Западной и Центральной Африке. Хотя фермеры боролись с грибом, перейдя в 1950-х годах на якобы устойчивые сорта робусты, это облегчение было недолгим.
В 1970-х годах болезнь вновь появилась на кофе сорта робуста, распространившись по Восточной и Центральной Африке. К середине 1990-х годов урожайность резко упала, и производство кофе не смогло восстановиться в таких странах, как Демократическая Республика Конго.
Отдельно следует отметить, что исследователи выявили это заболевание на кофе арабика в Эфиопии в 1950-х годах и наблюдали, как оно распространилось к 1970-м годам.
Хотя в настоящее время болезнь увядания кофе эндемична и распространена в Восточной и Центральной Африке на низком и контролируемом уровне, любое будущее возобновление заболевания может иметь катастрофические последствия для африканского производства кофе. Увядание кофе также представляет угрозу для производителей в Азии и Америке.
Появляются новые типы Fusarium xylarioides
Болезнь увядания кофе развивалась параллельно с самим кофе. За прошедшее столетие она неоднократно появлялась вновь, каждый раз поражая разные сорта кофе. Но отражали ли эти изменения быструю эволюцию новых типов возбудителя болезни или что-то совершенно иное?
Грибные заболевания опустошают растения на протяжении тысячелетий, причем самые ранние упоминания о вспышках относятся к библейским казням египетским. Как и люди, растения обладают иммунной системой, которая защищает их от атак патогенов, таких как грибы.
Хотя большинство попыток заражения грибами терпят неудачу, небольшое количество случаев все же удается благодаря постоянному эволюционному давлению на патогены, заставляющему их преодолевать защитные механизмы растения-хозяина. В этой эволюционной гонке вооружений патогены и хозяева постоянно адаптируются друг к другу, генетически изменяя свою ДНК. Циклы подъема и спада заболеваемости происходят по мере того, как один вид получает преимущество над другим.
Развитие современного сельского хозяйства привело к повсеместному распространению монокультур генетически однородных культур. Хотя монокультуры значительно увеличили производство продуктов питания, они также способствовали деградации окружающей среды и повышению уязвимости растений к болезням.
Селекционеры пытались защитить монокультуры, внедряя гены устойчивости к болезням, а фермеры широко применяли фунгициды, но вполне вероятно, что зависимость современного сельского хозяйства от монокультур и агрохимических препаратов способствовала и ускорила эволюцию новых типов патогенов, способных преодолевать устойчивость растений. В результате сельскохозяйственные культуры стали более восприимчивы к вспышкам болезней.
Усвоение уроков прошлого имеет решающее значение для предотвращения будущих пандемий заболеваний растений. Однако это может быть непросто, поскольку конкретные штаммы патогенов, вызывавшие предыдущие вспышки болезней, могут больше не существовать в природе или существенно измениться.
«В своих исследованиях эволюционной гонки вооружений между хозяином и патогеном в контексте болезни увядания кофе я стремилась решить эти проблемы путем «воскрешения» исторических штаммов гриба, вызывающего это заболевание, Fusarium xylarioides. Исследователям мало известно о причинах, по которым более ранние и более поздние вспышки поражали разные сорта кофе, поэтому я изучила генетические изменения в F. xylarioides, лежащие в основе этого сужения круга его хозяев. Я реконструировала исторические генетические изменения в основных вспышках заболевания, вызывающего увядание кофе, за последние семь десятилетий, используя штаммы из библиотеки грибов — коллекций культур, сохраняющих живые грибы. Эти библиотеки хранят долговременные данные о живых организмах и отражают генетическое разнообразие грибов, существовавшее на момент сбора образцов», пишет исследователь-фитопатолог Лили Пек в статье журнала The Conversation.
Преимущество патогена в эволюционной гонке вооружений зависит от его способности создавать новые типы генов. Он может делать это либо путем изменения и перестройки своей последовательности ДНК, либо путем перемещения последовательностей ДНК между организмами в процессе, называемом горизонтальным переносом генов. Эти механизмы могут создавать новые эффекторные гены, которые позволяют патогенам инфицировать и колонизировать растение-хозяина.
«Первоначально я секвенировала шесть полных геномов штаммов, участвовавших во вспышках заболеваний до 1970-х годов, а также в более поздних вспышках, которые были направлены конкретно против кофейных растений арабики или робусты. Я обнаружила, что штаммы F. xylarioides, специфичные для арабики или робусты, генетически различаются друг от друга, причем большинство этих различий передаются от родителей к потомству. Этот процесс называется вертикальным наследованием», рассказывает ученый.
«Однако я также обнаружила, что несколько участков генома F. xylarioides потенциально были приобретены горизонтально от F. oxysporum, глобального патогена растений, поражающего более 120 культур, включая бананы и томаты. К ним относятся различные участки генома у штаммов, специфичных для кофе арабика и робуста. Но привели ли эти изменения к появлению новых эффекторных генов в штаммах F. xylarioides, которые поражают именно растения кофе арабика и робуста? Чтобы ответить на этот вопрос, я сначала секвенировала и собрала первый эталонный геном F. xylarioides, объединив длинные участки ДНК. Затем я секвенировал и сравнила этот эталонный геном с полными геномами еще трех штаммов F. xylarioides, существовавших до 1970-х годов, и 10 дополнительных исторических штаммов Fusarium, обнаруженных на больных кофейных кустах или вокруг них, а также со штаммами F. xylarioides, выделенными из зараженных саженцев кофе арабика», пишет Лили Пек.
Исследователь обнаружила существенные доказательства горизонтального переноса генов, вызывающих заболевания, между видами Fusarium.
К ним относится наличие гигантских генетических компонентов, называемых «звездными кораблями», у Fusarium. Эти так называемые «прыгающие гены» несут в себе собственный молекулярный механизм, позволяющий им перемещаться внутри или между геномами. Гены, участвующие в адаптации, такие как гены, связанные с вирулентностью, метаболизмом или взаимодействием с хозяином, также перемещаются вместе с ними. Ученые считают, что «звездные корабли» потенциально могут позволить грибам адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды.
«Я обнаружила, что крупные и очень похожие генетические регионы, включая эти гены и активные гены-эффекторы, участвующие в развитии заболевания, переместились из F. oxysporum в F. xylarioides. Важно отметить, что различные генетические регионы присутствовали у штаммов F. xylarioides, специфичных для арабики и робусты, но отсутствовали у других родственных видов Fusarium. Это позволяет предположить, что эти гены были приобретены у F. oxysporum», делится ученый.
Сегодня треть всего мирового урожая сельскохозяйственных культур теряется из-за вредителей и болезней . Для обеспечения баланса между сельскохозяйственной производительностью и защитой окружающей среды важно найти решение этой проблемы, чтобы удовлетворить потребности человечества в будущем. Ключевым моментом в решении этой задачи является снижение распространения болезней и предотвращение новых вспышек заболеваний.
С другой стороны, в отличие от монокультур, многие виды растений, окружающие и выращиваемые на небольших семейных кофейных плантациях в странах Африки к югу от Сахары, могут служить резервуарами болезней, где могут скрываться грибные патогены. К ним относятся банановые деревья и сорняки семейства паслёновых (Solanum), восприимчивые к грибным инфекциям.
Возможно, методы ведения сельского хозяйства, применяемые человеком, непреднамеренно создали искусственную нишу для этих грибов, поскольку кофейные кусты оказались в тесном контакте с банановыми растениями и сорняками рода Solanum. Если грибы одного рода могут часто обмениваться генетическим материалом, это может ускорить способность патогенов растений адаптироваться к новым хозяевам.
Проверка растений, не относящихся к кофейным, на заражение F. xylarioides может выявить альтернативные виды растений, где различные грибы рода Fusarium контактируют и обмениваются генетическим материалом. Это важно, поскольку в странах Африки к югу от Сахары кофейные плантации часто соседствуют с банановыми деревьями и сорняками. Если эти соседние растения могут быть носителями грибов, которые выступают в качестве новых источников генетического разнообразия, они могут способствовать появлению новых штаммов заболеваний.
Выявление растений, которые могут служить хозяевами для грибов, может предоставить фермерам практические варианты снижения риска заболеваний кофейных растений, от целенаправленной борьбы с сорняками до отказа от посадки уязвимых культур рядом друг с другом.
Источник: The Conversation. Автор: Лили Пек.