Впервые описанная в Анахайме, Калифорния, в 1880-х годах, болезнь виноградной лозы Пирса с тех пор была обнаружена в большей части Калифорнии, а также в других частях США, а недавно и в Европе.
Вызываемая бактерией Xylella fastidiosa, болезнь закупоривает крошечные трубки, называемые ксилемой, которые транспортируют воду и питательные вещества по всему растению. Лишенные питания, виноградные гроздья сморщиваются, листья становятся коричневыми и опадают, и в конечном итоге растение погибает. Эта болезнь обходится калифорнийским производителям и налогоплательщикам более чем в 100 миллионов долларов в год из-за потерянных доходов и мер профилактики.
В новом исследовании ученые из Калифорнийского университета в Беркли и французской сельскохозяйственной исследовательской организации CIRAD идентифицировали 120-летний черенок виноградной лозы в Центре разнообразия растений Калифорнийского университета в Дэвисе, который все еще содержал следы ДНК X. fastidiosa с начала 1900-х годов.
Сравнив геном этого столетнего штамма X. fastidiosa с геномами более 330 современных штаммов, команда смогла реконструировать историю того, как патоген впервые появился в Калифорнии и впоследствии распространился по всему штату. Результаты опубликованы в журнале Current Biology .
«Более точная оценка того, что происходило в историческом плане, жизненно важна для понимания очень сложного, пронизанного патогенами мира вокруг нас прямо сейчас», - сказала соавтор исследования Александра Кан, научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли.
Постдокторант Калифорнийского университета в Беркли Александра Кан (слева) и аспирантка Моника Донеган с историческими образцами виноградной лозы из университета и гербариев Джепсона. Автор фото: Мэтью Бурсиага/Калифорнийский университет в Беркли.
Ученые долгое время предполагали, что X. fastidiosa впервые появилась в Калифорнии в 1880-х годах или немного раньше, когда многие виды винограда были завезены в штат с востока для создания виноградников. В то время местные газеты, такие как Pacific Rural Press, начали сообщать о загадочной новой болезни, которая поражала «большое количество виноградников» в Анахайме и долине Санта-Ана.
Однако геномные данные свидетельствуют о том, что патоген на самом деле прибыл в США почти на 150 лет раньше, около 1740 года, и пришел из Центральной Америки. Данные также свидетельствуют о том, что болезнь в Калифорнии возникла не из-за одного, а по крайней мере из-за трех отдельных заносов патогена.
«Хотя это произошло более 250 лет назад, это по-прежнему актуально для понимания глобального распространения фитопатогенов сегодня, - сказала Моника Донеган, аспирантка Калифорнийского университета в Беркли и соавтор исследования. - Мы обнаружили, что самые простые предположения о путях и сроках проникновения патогенов могут быть обманчивыми, что может повлиять на такие вещи, как международная торговая политика и карантины для фитопатогенов».
Тот факт, что, вероятно, было три отдельных заноса X. fastidiosa, также предполагает, что в Калифорнии могут существовать множественные, генетически различные популяции патогенов. Как и различные варианты SARS-CoV-2, эти популяции могут вызывать схожие симптомы, но по-разному реагировать на стрессоры, такие как изменение климата.
«Эти биологические различия, даже если они незначительны, могут иметь значение, когда речь идет о контроле заболеваний», - сказал старший автор исследования Родриго Алмейда, профессор и заведующий кафедрой фитопатологии имени Хильдебранда-Лаумейстера в Калифорнийском университете в Беркли.
Черенок виноградной лозы был собран человеком по имени Альфред Турнье 2 августа 1906 года в Модесто, Калифорния. Черенки лишены листьев, но все еще держатся за несколько бесплодных или «спичковых» черешков, научный термин, используемый для стеблей, которые соединяют листья со стеблем растения.
Гербарный образец, зараженный X. fastidiosa (слева), лишен почти всех листьев, что является классическим признаком болезни Пирса. Аннотация (справа) указывает, что лоза заражена болезнью Анахайма, первоначальным названием болезни Пирса. Автор фото: Родриго Алмейда.
Черенки Турнье были помечены как болезнь Анахайма, первоначальное название болезни Пирса. Теперь они находятся среди примерно 1100 исторических образцов виноградной лозы в коллекции гербария Калифорнийского университета в Дэвисе. Работая с куратором гербария Элисон Колвелл, исследователи проверили 10 болезненно выглядящих образцов виноградной лозы из коллекции, но нашли только один, который был положительным на бактерии X. fastidiosa. Они также проверили образцы виноградной лозы из университетского и Джепсонского гербариев, но не нашли ни одного с положительным результатом.
«Виноградная лоза с большим количеством X. fastidiosa не обязательно является главным кандидатом для гербарной коллекции, поэтому нам очень повезло, что мы нашли хотя бы один зараженный образец», - сказал Донеган.
Соавторы исследования Натали Беккер и Адриен Рьё провели кропотливую работу по выделению старой и деградировавшей ДНК X. fastidiosa из образца. Имея на руках последовательность генома, исследователи затем использовали биоинформатическое программное обеспечение для сравнения генов столетней X. fastidiosa с современными штаммами. Этот анализ дал оценку того, насколько быстро ДНК патогена мутирует с течением времени, что, в свою очередь, позволило им оценить время ключевых моментов в эволюционном дереве бактерий.
«Образец позволил нам откалибровать скорость мутации патогена по мере его развития в Калифорнии за последние сто лет, - сказал Кан. - Как только мы установили эту связь между эволюционным временем и абсолютным временем, мы смогли реконструировать хронологическую историю вспышки заболевания».
За последние десятилетия патоген X. fastidiosa распространился из США и Латинской Америки в другие страны, включая Португалию, Испанию, Италию, Израиль и Тайвань. Знание скорости эволюции патогена также может помочь исследователям оценить сроки этих внедрений и предотвратить дальнейшее распространение.
«Люди только недавно поняли, что могут использовать эти исторические гербарные образцы для изучения фитопатогенов, - говорит Алмейда. - Я думаю, это подчеркивает ценность гербарных коллекций для исследований. На эти коллекции оказывается большое давление, поскольку мы не можем поддерживать их должным образом, но они представляют огромную ценность, и никогда не знаешь, какую пользу мы можем извлечь из них в будущем».
Источник: University of California - Berkeley. Автор: Кара Манке.
На заглавном фото вы видите симптомы болезни Пирса на винограднике. Источник: University of California - Berkeley.
