Naukowcy dokonali sekwencjonowania genomu zarazy ziemniaczanej

Międzynarodowy zespół naukowców dokonał sekwencjonowania genomu zarazy ziemniaczanej - patogenu, który wywołał klęskę głodu w Irlandii i nadal jest co roku przyczyną strat rolników na zbiorach ziemniaków rzędu 6,7 mld USD (4,6 mld EUR). Wyniki opublikowane w czasopiśmie Nature...

Międzynarodowy zespół naukowców dokonał sekwencjonowania genomu zarazy ziemniaczanej - patogenu, który wywołał klęskę głodu w Irlandii i nadal jest co roku przyczyną strat rolników na zbiorach ziemniaków rzędu 6,7 mld USD (4,6 mld EUR). Wyniki opublikowane w czasopiśmie Nature pomogą wyjaśnić, w jaki sposób zaraza ziemniaczana przystosowuje się tak szybko do wszelkich prób jej wyeliminowania i mogą doprowadzić do wypracowania nowych strategii kontroli patogenu.

Zarazę ziemniaczaną wywołuje organizm zwany Phytophthora infestans, który dobrze się rozwija w chłodnych i wilgotnych warunkach atmosferycznych. Ziemniaki są czwartą pod względem wielkości uprawą spożywczą na świecie, a P. infestans jest największym wrogiem hodowców tych bulw, gdyż po zakażeniu rośliny obumierają w ciągu tygodnia.

Hodowcy przeznaczają ogromne pieniądze na oprysk upraw środkami grzybobójczymi, aby zahamować zarazę. Naukowcy stworzyli odmiany ziemniaka odpornego na zarazę ziemniaczaną, jednak patogen szybko zaadaptował się do tych nowych odmian. W jaki sposób P. infestans dokonuje tego, to zagadka pozostająca bez odpowiedzi od lat.

W ramach ostatnich badań, naukowcy dokonali sekwencjonowania genomu P. infestans i porównali go z genomami dwóch powiązanych pleśni wodnych (lęgniowców): P. sojae, która powoduje gnicie korzeni soi oraz P. ramorum, która powoduje nagłą śmierć dębów.

Wyniki okazały się zaskakujące. Po pierwsze, z 240 milionami par zasad genom P. infestans jest znacznie większy od swoich bliskich krewnych, P. sojae (95 milionów par zasad) i P. ramorum (65 milionów par zasad).

Genom P. infestans posiada również niezwykłą budowę. Większość z 18.000 genów jest ciasno upakowana w regionach gęsto wypełnionych genami, które łącznie stanowią około jedną czwartą genomu. Większość z nich to geny "gosposie", które niewiele się zmieniły w toku ewolucji i są odpowiedzialne za bieżące utrzymanie i reprodukcję patogenu.

Dla porównania, pozostałe trzy czwarte genomu składa się w przeważającym stopniu z długich odcinków wielokrotnych kopii segmentów DNA. Niewielka liczba genów, która znajduje się w tych "intensywnie powtórkowych" regionach ma kluczowe znacznie dla zdolności P. infestans do zakażania ziemniaków i innych roślin.

"Nasze odkrycia sugerują istnienie genomu "o dwóch prędkościach", co oznacza, że różne części genomu ewoluują z różną prędkością" - wyjaśnia naczelny autor raportu, profesor Sophien Kamoun z Laboratorium Sainsbury w Wlk. Brytanii. "Taka struktura genomu o dwóch prędkościach może pozwalać P. infestans na szybkie dostosowywanie się do roślin żywicieli, podczas gdy główny zestaw genów podstawowej biologii organizmu pozostaje zachowany."

"W przeciwieństwie do dobrze zachowanych regionów, w których znajduje się większość genów, intensywnie powtórkowe regiony zmieniają się szybko w czasie, działając jak inkubator, aby umożliwić szybkie narodziny i śmierć genów, które są niezbędne do zakażenia rośliny. W konsekwencji, te decydujące geny mogą być pozyskiwane i tracone tak szybko, że żywiciele nie są po prostu w stanie dotrzymać kroku" - dodaje współautor Brian Haas z Broad Institute w USA.

Obecnie wiadomo, że P. infestans, uważany swego czasu za grzyba, jest "pleśnią wodną" i jako taki jest bliżej spokrewniony z pasożytem malarii niż z grzybami. Patogen okrył się niechlubną sławą wywołując klęskę głodu w Irlandii w połowie XIX w., która była przyczyną śmierci ponad miliona osób i masowej emigracji do USA. Niemniej także dzisiaj jest głównym zmartwieniem rolników i stanowi poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa globalnych zasobów żywności.

Rolnicy w Irlandii donoszą, że ten rok był najgorszym jeśli chodzi o zarazę odkąd sięgną pamięcią, podczas gdy ich koledzy z Wlk. Brytanii twierdzą, że byli zmuszeni w ostatnich latach zwiększyć opryski o 30%. Holenderskie uprawy ziemniaka są poddawane większej liczbie zabiegów środkami grzybobójczymi niż jakiekolwiek inne uprawy. Po drugiej stronie Atlantyku, amerykańscy hodowcy ziemniaków i pomidorów również odczuwają skutki poważnego i kosztownego problemu zarazy ziemniaczanej.

"Ten patogen ma wyjątkowe zdolności do adaptacji i zmiany, i to właśnie sprawia, że jest tak niebezpieczny" - stwierdza dr Chad Nusbaum z Broad Institute. "Teraz dysponujemy pełnym oglądem jego genomu, który ukazał nadzwyczajne właściwości, leżące u podstaw jego niezwykłej łatwości adaptacyjnej. Na szczęście, ta wiedza może sprzyjać nowym metodologiom w zakresie diagnostyki i reagowania na epidemie."