Зелёная революция глубоко изменила взаимодействие растений и микроорганизмов благодаря широкому применению агрохимикатов и селекции сельскохозяйственных культур. Исторические биологические коллекции, сохраняющие разнообразие, существовавшее до Зеленой революции, играют ключевую роль в понимании того, как современное интенсивное сельское хозяйство повлияло на эти взаимодействия. В новом исследовании ученые восстановили два штамма возбудителя серой гнили Botrytis cinerea начала 1940-х годов и провели фенотипический, геномный, транскриптомный и метаболомный анализы. Сравнение с современными штаммами выявило значительные различия, включая адаптации, вероятно, обусловленные использованием фунгицидов и такими факторами окружающей среды, как патогенность, специфичная для хозяина, и толерантность к pH.
Изучение и понимание взаимодействий между растениями и их патогенами, особенно фитопатогенными грибами, в различные эпохи и местоположения могут выявить коэволюционные процессы, которые в конечном итоге влияют на вирулентность грибов.
Антропогенная деятельность, такая как сельское и лесное хозяйство, существенно влияет на эволюционную гонку вооружений между фитопатогенными грибами и их растениями-хозяевами.
В последнее десятилетие достижения в области высокопроизводительного секвенирования стимулировали революцию в геномике, способствуя значительному прогрессу в изучении древней ДНК из музейных образцов, включая доисторические и исторические археологические останки. Это позволило реконструировать целые геномы исторических организмов, как продемонстрировал первый реконструированный древний геном Yersinia pestis, бактериального патогена, ответственного за чуму.
Последующие комбинированные анализы современных и древних геномов человеческих патогенов начали решать важнейшие вопросы об их истории и эволюции.
Аналогичным образом, применение методов изучения древней ДНК к историческим гербарным образцам, зараженным фитофторозом - возбудитель Phytophthora infestans - может улучшить наше понимание эпидемий заболеваний растений. Недавние исследования возбудителей болезней сельскохозяйственных культур, сохранившихся в микологических гербариях по всему миру, подчеркивают неоценимую роль исторических коллекций в выяснении эволюции и эпидемиологии возбудителей болезней растений, а также коэволюционной динамики вызываемых ими заболеваний.
Национальный гербарий Национальной коллекции естественной истории Еврейского университета в Иерусалиме (NNHC-HUJI) хранит уникальную коллекцию фитопатогенных грибов, состоящую из тысяч образцов тканей растений, пораженных грибами, собранных в Израиле и по всему миру в начале XX века профессором Чарной Райсс.
Эта коллекция служит архивом растений и грибов, известных своей способностью повреждать сельскохозяйственные культуры в различных географических зонах в течение длительного времени. Большинство образцов этой коллекции, включая образцы Botrytis spp., относятся к периоду до интенсивного использования пестицидов. Они представляют собой важнейший генетический материал для изучения эволюции взаимодействий хозяина и патогена в ответ на современные методы и технологии ведения сельского хозяйства.
Эукариотические организмы формируют структуры выживания; например, у растений к ним относятся семена, способные прорастать после более чем 1000 лет покоя.
Структуры выживания также имеют большое значение в царстве грибов, включая жизнеспособные тела, такие как дегидратированные сегменты гиф, споры и/или склероции. Музейные образцы, включая структуры выживания грибов, могут служить ценным источником ДНК, выделенной непосредственно из образца и из оживших грибов.
Сравнительные исследования оживших музейных образцов с современными лабораторными могут дать представление об интерактивных эволюционных процессах растений и их патогенов. К ним относятся механизмы, сигнальные пути и метаболизм грибов и их хозяев. Кроме того, этот тип исследований может выявить доказательства реакций грибов на антропогенное воздействие, которое способствует вспышкам болезней растений.
Данное исследование проводилось под руководством доктора Дагана Саде и под руководством профессора Гилы Кахилы Бар-Гал с факультета сельского хозяйства, продовольствия и окружающей среды имени Роберта Х. Смита Еврейского университета в Иерусалиме, а также в сотрудничестве с коллегами из Еврейского университета, Тель-Авивского университета, Университета имени Бен-Гуриона и Министерства сельского хозяйства и развития сельских районов.
Цель работы - подчеркнуть значимость университетской коллекции фитопатогенных грибов, части NNHC-HUJI, как хранилища знаний и жизненно важного ресурса для решения современных проблем болезней растений для будущего устойчивого сельского хозяйства.
Для достижения этой цели ученые идентифицировали музейные образцы одного из десяти основных грибных патогенов, Botrytis cinerea, выделенного из цикламена (Cyclamen persicum) и сливы (Prunus spp.), датируемые 1940-ми годами.
Используя прямое секвенирование с последующим оживлением грибов, ученые смогли провести как фенотипическую, так и генотипическую характеристику. Сравнение характеристик музейного образца с лабораторными штаммами продемонстрировало важность оживления музейных образцов для будущих исследований в различных областях, таких как эволюция, экология и взаимодействия растений и патогенов.
Сравнение с современными штаммами выявило значительные различия, включая адаптации, вероятно, обусловленные использованием фунгицидов и такими факторами окружающей среды, как патогенность, специфичная для хозяина, и толерантность к pH.
Например, в отличие от лабораторных штаммов, музейные штаммы из эпохи до Зеленой революции были более чувствительны к коммерческому фунгициду первого поколения, который содержит активное соединение флудиоксонил, но не к коммерческому фунгициду второго поколения, который содержит флудиоксонил, смешанный с ципродинилом.
Это говорит о том, что с течением времени широкое применение одного и того же активного вещества способствуют развитию устойчивости патогенных грибов. Эта динамика подтверждается растущей резистентностью грибов и снижением эффективности химической борьбы с болезнями, о чем свидетельствует снижение роста мицелия при различных концентрациях фунгицидов. Повышенная толерантность возбудителей серой гнили к флудиоксонилу, активному соединению в нескольких коммерческих фунгицидах, указывает на их эволюцию с 1970-х годов.
Способность B. cinerea быстро развивать устойчивость к фунгицидам можно объяснить его обширной генетической изменчивостью и значительными размерами популяции.
Для более глубокого понимания этих тенденций необходимы дальнейшие исследования на различных уровнях, таких как геномный и метатранскриптомный подходы, которые могут послужить основой для будущих исследований механизмов, лежащих в основе очевидных различий в устойчивости к пестицидам, для расширения понимания функциональности пестицидов и разработки новых стратегий борьбы с болезнями.
В заключение, в эпоху утраты биоразнообразия и растущего внимания к устойчивому сельскому хозяйству успешное возрождение двух музейных образцов фитопатогенных грибов в сравнении с лабораторными штаммами подчёркивает их уникальные характеристики, а также ценность и важность коллекций естественной истории как источника знаний. Эти знания могут лечь в основу новых стратегий снижения ущерба, наносимого патогенами, что в конечном итоге будет способствовать развитию и внедрению устойчивых методов ведения сельского хозяйства.
Источник. Hebrew University of Jerusalem.
Dagan Sade et al, From herbarium to life: Implications of reviving historical fungi for modern plant pathology and agriculture, iScience (2025). DOI: 10.1016/j.isci.2025.112904