Для тех, кто не мыслит утра без чашки кофе, кофейное увядание (кофейная ржавчина) — возможно, самая важная болезнь, о которой вы никогда не слышали. Этот грибок на протяжении последнего столетия неоднократно менял структуру мирового рынка кофе, и последствия этого ощущаются от африканских ферм до кофеен по всему миру.
Заражение грибком Fusarium xylarioides приводит к характерному «увяданию» кофейных растений: он блокирует и снижает способность растения транспортировать воду, что в итоге убивает его. Так действуют одни из самых разрушительных патогенов растений в мире.
С 1990-х годов вспышки кофейного увядания обошлись более чем в 1 миллиард долларов, вынудили бесчисленное множество ферм закрыться и вызвали драматическое падение национального производства кофе. В Уганде, одном из крупнейших производителей Африки, производство не восстановилось до уровня, предшествовавшего вспышке, вплоть до 2020 года — спустя десятилетия после первого обнаружения болезни. А в 2023 году исследователи нашли доказательства того, что болезнь вновь появилась во всех кофейных регионах Кот-д’Ивуара.
Изучение генетики патогенов растений имеет решающее значение для понимания того, почему эта болезнь продолжает возвращаться и как предотвратить новую крупную вспышку.
Взлеты и падения кофейного увядания в Африке
Хотя ранние вспышки поражали широкий спектр сортов кофе, более поздние эпидемии в основном затронули два вида, доминирующих сегодня на мировом рынке: арабику и робусту.
Впервые идентифицированная в 1927 году, болезнь уничтожила несколько сортов кофе, выращиваемых в Западной и Центральной Африке. Хотя в 1950-х годах фермеры боролись с грибком, перейдя на якобы устойчивую робусту, передышка была недолгой.
Болезнь вновь появилась в 1970-х годах уже на робусте, распространившись по Восточной и Центральной Африке. К середине 1990-х урожаи резко упали, и производство кофе в таких странах, как Демократическая Республика Конго, так и не смогло восстановиться. Отдельно исследователи идентифицировали болезнь на арабике в Эфиопии в 1950-х годах и наблюдали её широкое распространение к 1970-м.
Хотя сегодня кофейное увядание является эндемичным на низком и контролируемом уровне в Восточной и Центральной Африке, любое будущее возрождение болезни может стать катастрофой для африканского производства. Болезнь также представляет угрозу для производителей в Азии и Америке.
Появление новых типов болезни
Болезнь кофейного увядания эволюционировала вместе с самим кофе. За последнее столетие она неоднократно возвращалась, каждый раз поражая разные типы кофе. Но отражали ли эти изменения быструю эволюцию новых типов болезни, или же нечто совсем иное?
Грибковые заболевания уничтожали растения тысячелетиями, самые ранние записи о вспышках относятся к библейским казням. Как и у людей, у растений есть иммунная система, защищающая их от атак патогенов. Хотя большинство попыток грибков заразить растение терпят неудачу, небольшое число успешных попыток объясняется постоянным эволюционным давлением на патогены с целью преодолеть защиту растения-хозяина. В этой эволюционной гонке вооружений патогены и хозяева постоянно адаптируются друг к другу, генетически изменяя свою ДНК. Циклы «бума и спада» болезни происходят по мере того, как одна сторона получает преимущество над другой.
Развитие современного сельского хозяйства привело к широкому 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 массово применяли фунгициды и другие вредные для экологии продукты. Но эти относительно слабые меры защиты на сотнях гектаров идентичных растений привели к тому, что вспышки стали уничтожать урожаи, от которых зависят люди.
Вероятно, зависимость современного сельского хозяйства от монокультур позволила и ускорила эволюцию новых типов патогенов, способных преодолевать устойчивость растений. В результате культуры становятся более восприимчивыми к вспышкам болезней.
Воскрешая штаммы грибка
Понимание уроков прошлого необходимо для предотвращения будущих пандемий растений. Но это может быть сложно, потому что конкретные штаммы патогенов, вызвавшие предыдущие вспышки, могут больше не существовать в природе или существенно измениться.
В своем исследовании эволюционной гонки вооружений между хозяином и патогеном при кофейном увядании я попытался решить эти проблемы, «воскресив» исторические штаммы грибка Fusarium xylarioides. Исследователи мало знают о том, почему ранние и поздние вспышки поражали разные типы кофе, поэтому я исследовал генетические изменения F. xylarioides, лежащие в основе этого сужения круга хозяев.
Я реконструировал исторические генетические изменения при крупных вспышках кофейного увядания за последние семь десятилетий, используя штаммы из грибной библиотеки — коллекций культур, сохраняющих живые грибы. Эти библиотеки хранят долгосрочные живые данные и отражают генетическое разнообразие грибов, существовавшее на момент сбора.
То, получит ли патоген преимущество в эволюционной гонке, зависит от его способности создавать новые типы генов. Он может делать это либо изменяя и перестраивая свою последовательность ДНК, либо перемещая последовательности ДНК между организмами в процессе, называемом горизонтальным переносом генов. Эти механизмы могут создавать новые гены-эффекторы, позволяющие патогенам заражать и колонизировать растение-хозяина.
Изначально я секвенировал шесть целых геномов штаммов, участвовавших во вспышках до 1970-х годов, а также более поздних вспышек, специфически нацеленных на арабику или робусту. Я обнаружил, что штаммы F. xylarioides, специфичные для арабики или робусты, генетически отличаются друг от друга, причем большинство этих различий передавались от родителя к потомству. Этот процесс называется вертикальным наследованием.
Гены, прыгающие между видами
Однако я также обнаружил, что несколько областей генома F. xylarioides были потенциально приобретены горизонтально от F. oxysporum — глобального патогена растений, поражающего более 120 культур, включая бананы и томаты. В их число входили различные области генома у штаммов, специфичных для арабики и робусты.
Но привели ли эти изменения к появлению новых генов-эффекторов в штаммах F. xylarioides, которые заражают именно арабику и робусту? Чтобы ответить на этот вопрос, я сначала секвенировал и собрал первый референсный геном F. xylarioides, соединив длинные фрагменты ДНК. Затем я секвенировал и сравнил этот референсный геном с целыми геномами еще трех штаммов F. xylarioides до 1970-х годов и 10 дополнительных исторических штаммов Fusarium, найденных на больных кофейных кустах или рядом с ними, а также со штаммами F. xylarioides из зараженных сеянцев арабики.
Я нашел существенные доказательства горизонтального переноса генов, вызывающих болезни, между видами Fusarium. Это включает наличие гигантских генетических компонентов, называемых Starships, у Fusarium. Эти так называемые прыгающие гены несут собственный молекулярный механизм, позволяющий им перемещаться внутри геномов или между ними. Гены, участвующие в адаптации, такие как связанные с вирулентностью, метаболизмом или взаимодействием с хозяином, также перемещаются вместе с ними. Ученые предполагают, что Starships потенциально могут позволить грибам адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды.
Я обнаружил, что большие и очень похожие генетические области, включая Starships и активные гены-эффекторы, участвующие в заболевании, переместились от F. oxysporum к F. xylarioides. Важно, что различные генетические области присутствовали у штаммов F. xylarioides, специфичных для арабики и робусты, но отсутствовали у других родственных видов Fusarium. Это говорит о том, что эти гены были получены от F. oxysporum.
Вооружая фермеров знаниями
Сегодня треть мирового урожая теряется из-за вредителей и болезней. Примирение противоречия между продуктивностью сельского хозяйства и защитой окружающей среды важно для балансирования потребностей человечества в будущем. Ключевая задача — снижение распространения болезней и новых вспышек.
Обратной стороной монокультур является то, что многие виды растений, окружающие небольшие и семейные кофейные фермы в странах Африки к югу от Сахары, могут служить резервуарами болезней, где могут скрываться патогенные грибки. Это включает банановые деревья и сорняки из семейства пасленовых (Solanum), которые восприимчивы к грибковой инфекции.
Человеческая сельскохозяйственная практика могла непреднамеренно создать искусственную нишу для этих грибов, сведя кофейные кусты в тесный контакт с банановыми растениями и сорняками Solanum. Если грибы одного рода могут часто обмениваться генетическим материалом, это может ускорить способность патогенов растений адаптироваться к новым хозяевам.
Тестирование некофейных растений на заражение F. xylarioides могло бы выявить альтернативные виды растений, где разные грибы Fusarium вступают в контакт и обмениваются генетическим материалом. Это важно, потому что по всей Африке к югу от Сахары кофейные растения часто соседствуют с банановыми деревьями и сорняками. Если эти соседние растения могут служить носителями грибов, которые становятся новыми источниками генетической вариативности, они могут способствовать появлению новых штаммов болезней.
Практические шаги для спасения урожая
Определение растений, которые могут быть хозяевами для грибка, даст фермерам практические инструменты для снижения риска заболевания кофейных плантаций. Это может включать целенаправленную борьбу с сорняками, избегание посадки уязвимых культур по соседству, а возможно, и изменение севооборота. Дальнейшие исследования должны быть направлены на понимание того, насколько широко распространен горизонтальный перенос генов в полевых условиях и можно ли создать «буферные зоны» из растений, не являющихся хозяевами, чтобы разорвать цикл заражения.
Баланс между производительностью сельского хозяйства и устойчивостью в конечном итоге принесет пользу и культурам, и людям. Кофейная индустрия, от мелких фермеров до крупных обжарщиков, должна инвестировать в мониторинг, устойчивые сорта и агрономические практики, основанные на глубоком понимании эволюционной биологии патогена. В противном случае история кофейного увядания, которая уже не раз ставила отрасль на колени, может повториться с еще более разрушительными последствиями в мире, где изменение климата расширяет ареал обитания грибков и ослабляет защитные силы растений.
Поделитесь в вашей соцсети👇
Ваш комментарий