Нематоды являются одними из самых распространенных и разнообразных типов животных, содержащих, по оценкам, от 1 до 10 миллионов видов. Это замечательное разнообразие отражено в их экологических нишах — от свободноживущих форм в почве и воде до паразитических видов, заражающих растения и животных. Среди приблизительно 4100 видов, идентифицированных как паразиты растений, виды рода Meloidogyne (широко известные как галловые нематоды) выделяются как наиболее экономически вредоносные. Ученые давно задавались вопросом, как же они способны заражать столь широкий спектр организмов — от однодольных и двудольных до однолетних культур и древесных растений? Благодаря научному прогрессу начинают появляться ответы. Но и возникают новые вопросы: что общего у галловых нематод и картофельной тли?
Галловые нематоды (Meloidogyne spp.) являются одними из самых разрушительных сельскохозяйственных вредителей, которые вызывают значительные потери урожая среди широкого спектра культур.
Четыре наиболее вредоносных вида, M. arenaria, M. incognita, M. javanica и M. hapla, обладают исключительным спектром хозяев, охватывающим разнообразный набор видов сельскохозяйственных культур.
Три из этих видов (M. arenaria, M. incognita, M. javanica) тесно связаны (Meloidogyne Clade I) и глобально распространены в тропических и субтропических регионах. Напротив, Meloidogyne hapla (Clade II) обычно встречается в более умеренном климате и паразитирует на широком спектре растений-хозяев, хотя изоляты различаются по своему спектру хозяев, патогенности и поведению.
Именно северная нематода Meloidogyne hapla является ценной моделью для изучения галловых нематод благодаря своему паразитическому разнообразию, небольшому диплоидному геному и репродуктивной стратегии, которая облегчает генетический анализ.
Теперь исследовательская группа из 15 международных нематологов и биотехнологов под руководством нематологов из Калифорнийского университета в Дэвисе получила представление о том, как ДНК этого вида нематод, Meloidogyne hapla, способствует их успеху паразитическому.
Они сообщили о сборке генома для этой фитопаразитической нематоды, созданной с использованием PacBio HiFi, Oxford Nanopore, Illumina и Hi-C секвенирования. Данную технологию можно применять и к другим видам нематод. Это позволит идентифицировать гены нематод, способствующие успешному паразитированию. Полученная информация должна помочь в разработке оптимальных стратегий борьбы, а также в создании растений с повышенной устойчивостью.
Нематологи Калифорнийского университета в Дэвисе, в том числе Валери Уильямсон, почетный профессор кафедры фитопатологии, и доцент Шахид Сиддик кафедры энтомологии и нематологии работают с фитопаразитическими галловыми нематодами давно.
Валери Уильямсон также широко известна своими работами по определению в томате гена устойчивости к нематодам Mi. Интересно, что этот же ген обеспечил устойчивость к картофельной тле. Как прокомментировала тогда свое открытие Валери Уильямсон, «это приведет к исследованиям, которые могут выявить сходства между тлями и Meloidogyne spp., о которых ранее не подозревали, и (или) выявить множественные активности продукта гена устойчивости».
Жизненный цикл галловой нематоды обычно длится около месяца и включает в себя шесть отдельных стадий, состоящих из эмбриона, четырех ювенильных стадий (J1-J4) и взрослой стадии. Как облигатные малоподвижные эндопаразиты, нематоды проводят большую часть своего жизненного цикла, питаясь из постоянного места в корневой сосудистой системе.
Эти места питания характеризуются вызванными нематодами многоядерными гигантскими клетками, которые действуют как поглотители питательных веществ для нематод, и отличительными корневыми галлами или «узелками», отличительным признаком заражения.
«То, как галловые нематоды устанавливают эти специализированные места питания в таком широком диапазоне видов растений, охватывающем однодольные, двудольные, однолетние и многолетние растения, является вопросом как научного, так и практического интереса. Гены нематод, ответственные за установление мест питания или способствующие различиям в диапазоне хозяев, в значительной степени неизвестны. Однако было показано, что несколько белков, секретируемых нематодами, паразитирующими на растениях, способствуют паразитизму и обычно называются эффекторами. Эти эффекторы включают гены, вероятно, приобретенные путем горизонтальных переносов, а также многие кодирующие пионерные белки с неизвестными белковыми мотивами. Наше открытие является наиболее полной и непрерывной сборкой генома фитопаразитической нематоды на сегодняшний день», — говорят Уильямсон и Сиддик, соавторы недавно опубликованной статьи «Высокоточная сборка генома и картирование связей у Meloidogyne hapla выявляют неканонические теломерные повторы и точки рекомбинации, связанные с эффекторными белками», опубликованной в журнале открытого доступа PLOS Pathogens.
«Интересно, что мы обнаружили, что Meloidogyne hapla использует необычный повтор ДНК на концах своих хромосом вместо типичных теломер, что позволяет предположить, что у нее может быть альтернативный способ защиты концов своих хромосом», — сказал Сиддик.
«В целом наше исследование объединяет высокоточную структурную геномику, генетическое картирование и функциональный вывод для выявления связей между архитектурой генома, рекомбинационными ландшафтами и взаимодействиями хозяина и паразита», — говорит первый автор Паллави Шакья, докторант лаборатории Сиддика, получившая степень магистра в области биотехнологии растений в Университете Вагенингена, Нидерланды.
Другими соавторами являются докторант Калифорнийского университета в Дэвисе Элисон Бланделл и научный сотрудник Калифорнийского университета в Дэвисе Дадун Дай (оба из лаборатории Силлика), а также ученые из Нидерландов, Франции, Индонезии, Австралии и Хорватии.
«Нематоды, паразитирующие на растениях, ежегодно наносят ущерб сельскохозяйственным культурам по всему миру на миллиарды долларов. Галловые нематоды — самая вредоносная группа видов, во многом потому, что они способны поражать самые разные культуры, включая однодольные и двудольные, однолетние и древесные. Мы выбрали вид Meloidogyne hapla из-за его относительно простого генома ДНК, его генетической управляемости и наблюдения, что изоляты нематоды различаются в растениях, которые они могут инфицировать. Несмотря на значительный прогресс в анализе ДНК, попытки полностью понять структуру генома ранее были затруднены крошечными размерами организма и ограничениями технологий. Однако в последние годы биотехнологии и биоинформатика значительно продвинулись вперёд. Наша международная команда нематологов и биотехнологов работала вместе над созданием полной сборки генома, представляющей последовательность ДНК полноразмерных хромосом», — рассказывает Валери Уильямсон, член Общества нематологов, отметив, что «насколько нам известно, это наиболее полный геном нематоды, паразитирующей на растениях
«Более двадцати лет назад моя группа и другие учёные решили сосредоточиться на одном виде в качестве модели, которая могла бы послужить источником информации. Структура генома имеет несколько новых особенностей: концы хромосом не похожи на концы большинства других животных или растений; структура хромосом различается у разных изолятов этой нематоды и характеризуется разрывами, воссоединениями и рекомбинацией между хромосомами разных изолятов. Эта гибкость генома может пролить свет на то, как галловые нематоды способны менять спектр хозяев, которых они могут заражать. Это также послужит ресурсом для изучения генома других важных видов галловых нематод и позволит идентифицировать гены нематод, способствующие успешному паразитированию. Эта информация должна помочь в разработке оптимальных стратегий борьбы, а также в разработке растений с повышенной устойчивостью», — заключила Уильямсон.
Северная галловая нематода наносит значительный экономический ущерб многим сельскохозяйственным культурам, вызывая образование корневых галлов, задержку роста, снижение урожайности и деформацию, что делает зараженную продукцию, например, морковь, непригодной для продажи. Повреждения затрагивают широкий спектр растений, включая овощи, фруктовые деревья и виноград в некоторых регионах. Инфекция наиболее сильно поражает молодые растения, что может привести к полной гибели, в то время как взрослые растения могут понести значительное снижение урожайности.
Источники: UC Davis. Автор: Кэти Китли Гарви; PLOS Pathogens (2025), DOI: 10.1371/journal.ppat.1013706
На фото: северная галловая нематода (Meloidogyne hapla) поражает корни фасоли. Красноватые образования — самки нематод. Автор фото: Паллави Шакья.