Генетики выяснили происхождение новой болезни пшеницы

Рис. 1. Пшеница, пораженная грибом Pyricularia oryzae. Эпидемия пирикуляриоза пшеницы началась в Южной Америке в 1980-х (верхний снимок сделан в Боливии), а в 2016 году перекинулась в Бангладеш, погубив посевы на площади 15 000 га (нижний снимок). Фото с сайта munchies-images.vice.com

Паразитический гриб Pyricularia oryzae вызывает опасное заболевание (пирикуляриоз) у риса и многих других злаков, однако для пшеницы он был не опасен вплоть до 1985 года, когда пирикуляриоз пшеницы впервые был зарегистрирован на юге Бразилии. В дальнейшем болезнь широко распространилась по Южной Америке, а в 2016 году проникла в Азию. Японские и американские генетики выявили ключевое генетическое изменение, позволившее паразиту перейти на нового хозяина. Оно состояло в выходе из строя белка PWT3, по которому защитный белок пшеницы Rwt3 распознает паразита. По-видимому, ключевую роль в появлении новой болезни сыграло то обстоятельство, что c 1980 года в Бразилии стали выращивать высокопродуктивный сорт пшеницы «Анауак», у которого, как оказалось, нет белка Rwt3. Освоившись в этом незащищенном сорте, паразитический гриб затем легко перешел на другие, защищенные сорта, для чего ему пришлось избавиться от одного из своих белков.

Между растениями и их паразитами — фитопатогенными грибами — идет нескончаемая эволюционная гонка вооружений. Паразиты постоянно модифицируют свой арсенал белков, помогающих преодолевать иммунную защиту хозяев (такие белки называют «эффекторными»). Растения, со своей стороны, совершенствуют средства защиты, среди которых почетное место занимают белки NLR (Nucleotide-binding and leucine-rich repeat resistance proteins), специализирующиеся на индивидуальном распознавании вражеских эффекторов.

От набора эффекторов и защитных белков зависит, сможет ли данный паразит заразить данное растение. Гонка вооружений наглядно проявляется в том, что все эти белки очень быстро эволюционируют (NLR — самое быстро эволюционирующее семейство белков у растений), а также в том, что каждый паразит в каждый момент эволюционного времени может пробить защиту лишь ограниченного круга хозяев (потому что нельзя угнаться за множеством зайцев, бегущих в разные стороны). Если эффектор А распознается защитным белком Б, то паразит, у которого есть А, не может заразить растение, у которого есть Б. В такой ситуации ген А называют «геном авирулентности». Это, конечно, не значит, что паразит специально приобрел ген А, чтобы не иметь возможности заразить данное растение. Но это значит, что у паразита действительно есть ген, не позволяющий ему это сделать. Очевидно, ген А нужен паразиту для чего-то другого, — например, чтобы эффективно заражать какое-то другое растение.

Переходы паразитов на новых хозяев происходят не так уж часто, а когда происходят, то вполне могут приводить к видообразованию (см.: Цепная реакция видообразования, «Элементы», 11.02.2009; Разнообразие тропических насекомых поддерживается благодаря узкой специализации паразитов, «Элементы», 18.03.2014). Впрочем, с практической точки зрения куда важнее, что такие переходы могут приводить к внезапному появлению и стремительному распространению новых опасных заболеваний.

Именно это и произошло, когда фитопатогенный гриб Pyricularia oryzae освоил пшеницу в качестве нового хозяина. Этот гриб известен прежде всего как возбудитель пирикуляриоза риса (см.: Rice blast disease), но разные его штаммы (или виды: P. oryzae иногда рассматривается как комплекс из множества близких видов) поражают и многие другие злаки, как культурные, так и дикие. Для пшеницы этот паразит был не опасен до самого недавнего времени.

В 1985 году на юге Бразилии, в штате Парана, были зарегистрированы первые случаи пирикуляриоза пшеницы. В последующие годы новое заболевание распространилось на другие районы Бразилии и соседние страны. Поначалу болезнь не вызывала серьезных потерь урожая, но в 1996 году случилась эпидемия в Боливии, в 2002 году — в Парагвае, в 2007 — в Аргентине. Эти эпидемии уничтожили до 70–80% урожая в пораженных районах. Поэтому кое-где в Южной Америке люди до сих пор опасаются выращивать пшеницу. Наконец, в 2016 году пирикуляриоз пшеницы вышел за пределы Южной Америки, поразив посевы в Бангладеш на площади 15 000 га (рис. 1). Зараженные поля были спешно сожжены, но специалисты опасаются, что дело идет к пандемии (Md. Abu Sadat & Jaehyuk Choi, 2017. Wheat Blast: A New Fungal Inhabitant to Bangladesh Threatening World Wheat Production).

Генетический анализ показал, что штамм, вызвавший вспышку заболевания в Бангладеш, был занесен из Южной Америки. Для него даже предложили собственное видовое название (V. L. Castroagud?n et al., 2016. Pyricularia graminis-tritici, a new Pyricularia species causing wheat blast), хотя неизвестно, станет ли оно общепринятым. Может быть, специалисты продолжат рассматривать этого паразита как одну из линий P. oryzae, что по большому счету дело вкуса. Мы далее будем называть его пшеничной разновидностью P. oryzae.

Ближайшими родственниками пшеничной разновидности являются штаммы, паразитирующие на овсе и плевеле. Генетический анализ выявил у этих штаммов два «гена авирулентности», присутствие которых не позволяет им заражать пшеницу: PWT3 и PWT4. У пшеницы нашлись соответствующие защитные гены, Rwt3 и Rwt4, которые, по-видимому, отвечают за распознавание эффекторов PWT3 и PWT4. Большая часть выращиваемой на планете пшеницы имеет эти гены в рабочем состоянии, однако есть и сорта, у которых один или оба гена отсутствуют или выведены из строя мутациями.

В новом исследовании, результаты которого опубликованы в свежем выпуске журнала Science, японские и американские генетики попытались выяснить, какие генетические изменения позволили грибу P. oryzae приспособиться к новому хозяину — пшенице. Логично было предположить, что у пшеничной разновидности P. oryzae оба «гена авирулентности» утрачены или вышли из строя.

Это предположение подтвердилось. Секвенирование показало, что ген PWT4, ранее обнаруженный у штаммов из овса, у других разновидностей P. oryzae, включая пшеничную, либо отсутствует, либо выведен из строя мутациями. Второй ген, PWT3, у большинства штаммов находится в рабочем состоянии, но у разных представителей «пшеничной разновидности» он тем или иным способом поврежден. Способы повреждения оказались разнообразными: у кого-то в этот ген встроился один или несколько мобильных элементов, у кого-то заменилось несколько нуклеотидов в кодирующей части, у кого-то потерялся кусок регуляторной части.

Чтобы убедиться, что наличие или отсутствие работающих версий генов PWT3 и PWT4 действительно определяет способность гриба заражать пшеницу, авторы заражали разными штаммами P. oryzae (пшеничными, овсяными и плевельными) с разными наборами эффекторов четыре сорта пшеницы с разными наборами защитных генов. У первого сорта в рабочем состоянии находятся оба защитных гена (генотип Rwt3/Rwt4), у второго и третьего — только один (генотипы Rwt3/rwt4 и rwt3/Rwt4), у четвертого сорта не работает ни один из двух генов (rwt3/rwt4). Колосья каждого из четырех сортов опрыскивали грибными спорами в начале цветения и смотрели, произойдет ли заражение.

Эти опыты четко показали, что защищенность пшеницы от паразитического гриба обеспечивается попарными взаимодействиями эффекторов паразита и защитных генов растения (рис. 2). Так, пшеничные штаммы гриба, у которых нет ни PWT3, ни PWT4, заражают все сорта пшеницы. Овсяный штамм, имеющий оба эффектора, способен заразить только пшеницу, лишенную обоих защитных генов (rwt3/rwt4). Плевельный штамм, у которого есть PWT3, но нет PWT4, заражает те сорта пшеницы, у которых нет Rwt3 (то есть генотипы rwt3/Rwt4 и rwt3/rwt4).

Авторы также показали, что искусственное добавление в геном пшеничного штамма генов PWT3 или PWT4, позаимствованных у овсяного штамма, лишает гриб способности заражать пшеницу, имеющую, соответственно, гены Rwt3 или Rwt4. Аналогичные результаты дали и опыты с овсяными и плевельными штаммами, у которых гены PWT3 и PWT4 искусственно отключались (эта процедура сделала подопытные штаммы опасными для соответствующих сортов пшеницы).

Рис. 2. Результаты экспериментов по заражению разными штаммами гриба P. oryzae колосьев пшеницы с разными наборами защитных генов. Незаразившиеся колосья — зеленые, заразившиеся — серые. A — пшеничная разновидность гриба, B — плевельная, C — овсяная. WT — дикий тип; +3, +4 — в геном добавлены гены PWT3 и PWT4; ?3, ?4 — соответствующие гены отключены. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Таким образом, для того, чтобы обрести способность заражать любые сорта пшеницы, грибу нужно избавиться от генов PWT3 и PWT4. При этом у непосредственного предка пшеничной разновидности (почти наверняка это был штамм, паразитирующий на плевеле) ген PWT4 уже был выведен из строя, как и у всех прочих исследованных штаммов P. oryzae, кроме овсяного. Стало быть, оставался только один ген, требующий отключения — PWT3. Если же речь идет о сорте пшеницы, лишенном гена Rwt3, то его гриб может заразить и так, без предварительной подготовки.

Впрочем, заражение колоса, густо обрызганного спорами гриба в ходе эксперимента, и заражение в природе — не совсем одно и то же. По всей видимости, для создания реальной эпидемиологической угрозы отсутствие PWT3 и PWT4 (или отсутствие защитных генов у пшеницы) является необходимым, но не достаточным условием. Скорее всего, существуют и другие эффекторы и защитные гены, влияющие на вероятность заражения. В пользу этого свидетельствует, например, тот факт, что в 2011 году штамм P. oryzae, потенциально способный заражать пшеницу, был зарегистрирован в Кентукки (США), но никакой вспышки заболевания он там не вызвал. Авторы показали, что у этого штамма ген PWT3 выведен из строя специфическими вставками транспозонов, причем произошло это независимо от аналогичных событий в Бразилии.

Проанализировав коллекции штаммов P. oryzae, собранные в разные годы в разных районах, а также проверив наличие защитных генов Rwt3 и Rwt4 у разных сортов пшеницы по всему миру, авторы в общих чертах восстановили последовательность событий, приведших к распространению новой опасной болезни пшеницы (рис. 3).

Рис. 3. История распространения штаммов P. oryzae, паразитирующих на пшенице. Разными значками показаны варианты гена PWT3, обнаруженные у пшеничных штаммов. Ao — исходный, рабочий вариант гена, позволяющий заражать только пшеницу, лишенную защитного гена Rwt3. Все остальные варианты представляют собой ген, тем или иным способом выведенный из строя, что позволяет заражать любую пшеницу. Рисунок из обсуждаемой статьи в Science

Всё началось с того, что в 1980 году в Бразилии стали активно выращивать новый высокопродуктивный полукарликовый сорт пшеницы «Анауак», который был рекомендован фермерам как исключительно хорошо подходящий к местным почвам. Этот сорт не имеет защитного гена Rwt3, но тогда никто не знал даже о существовании этого гена, а тем более — о его функции и возможных эволюционных последствиях его отсутствия.

Широкое распространение незащищенной пшеницы на бразильских полях позволило каким-то штаммам P. oryzae перейти на эту пшеницу с плевела. После краткого (занявшего всего несколько лет) периода адаптации к новому хозяину отбор начал поддерживать у пшеничных штаммов мутации, нарушающие работу гена PWT3. Для гриба, уже освоившегося в новой нише, такие мутации были полезны, поскольку позволяли заражать не только пшеницу сорта «Анауак», но и другие, защищенные сорта, растущие поблизости.

В результате, в конце 1980-х — начале 1990-х в Южной Америке на пшенице паразитировали грибы P. oryzae с несколькими вариантами поломок в гене PWT3 (треугольники, квадраты и ромбы на рис. 3). Кроме того, сохранялся исходный вариант с неиспорченным геном, который по-прежнему мог паразитировать только на «Анауаке» (красные кружочки на рис. 3). В дальнейшем особенно широко распространился один из вариантов испорченного гена (Atc, синие ромбы на рис. 3), возможно, самый вирулентный. Именно он в 2016 году проник в Азию и вызвал вспышку заболевания в Бангладеш.

Таким образом, массовое разведение пшеницы, лишенной защитного гена Rwt3, возможно, стало своеобразным «трамплином», позволившим паразитическому грибу перепрыгнуть на нового хозяина. Авторы рекомендуют в будущем избегать выращивания сортов пшеницы с обедненным репертуаром защитных генов, чтобы снизить вероятность появления новых опасных патогенов, ну или хотя бы чтобы не позволить другим штаммам P. oryzae перепрыгнуть на пшеницу. Кроме того, следует избегать массового выращивания одного и того же сорта на больших территориях, потому что это ставит культурные растения в заведомо проигрышное положение в извечной эволюционной гонке вооружений с паразитами.

Заметим, что высокопродуктивный сорт «Анауак» был выведен путем обычной селекции, без всякой генной инженерии и уж конечно с самыми лучшими намерениями (см. Зелёная революция). Хочется верить, что из этого случая никто не сделает вывод, что надо запретить селекцию и перейти всем на питание «натуральными» дикими растениями. Лучше бы из этого сделали вывод, что надо быстрее развивать генетику и генную инженерию, чтобы сделать процесс создания новых сортов более осмысленным и безопасным.

Источник: Yoshihiro Inoue, Trinh T. P. Vy, Kentaro Yoshida, Hokuto Asano, Chikako Mitsuoka, Soichiro Asuke, Vu L. Anh, Christian J. R. Cumagun, Izumi Chuma, Ryohei Terauchi, Kenji Kato, Thomas Mitchell, Barbara Valent, Mark Farman, Yukio Tosa. Evolution of the wheat blast fungus through functional losses in a host specificity determinant // Science. 2017. V. 357. P. 80–83.

См. также:
В долгосрочном эксперименте зафиксировано поэтапное формирование эволюционного новшества, «Элементы», 25.09.2012.

Александр Марков

Источник: elementy.ru

Комментарии: