Впервые ученые расшифровали геном патогена растения и его растения-хозяина из высушенных образцов гербария. Это открывает новую область исследований, позволяющую понять, как развиваются патогены и как деятельность человека влияет на распространение болезней растений.
Phytophthora infestans изменила ход истории.
Даже сегодня население Ирландии все еще не восстановилось до уровня, существовавшего до голода. «Мы наконец обнаружили идентичность того штамма, который вызвал весь этот хаос», — говорит Эрнан Бурбано из Института биологии развития Макса Планка.
Для публикации исследования в eLife группа молекулярных биологов из Европы и США реконструировала распространение возбудителя фитофтороза через сушеные растения. Хотя им было от 170 до 120 лет, в них было обнаружено много неповрежденных фрагментов ДНК.
«Гербарии представляют собой богатый и неизведанный источник, из которого мы можем многое узнать об историческом распространении растений и их вредителей, а также об истории людей, которые выращивали эти растения», — сказал Кентаро Йошида из лаборатории Сейнсбери в Норидж.
Исследователи изучили историческое распространение грибкового оомицета Phytophthora infestans, известного как ирландский патоген картофельного голода. Долгое время считалось, что причиной смертельной вспышки стал штамм под названием US-1. В текущем исследовании делается вывод, что причиной этого был новый для науки штамм.
Хотя он более близок к штамму US-1, чем к другим современным штаммам, он уникален. «Похоже, что оба штамма отделились друг от друга всего за несколько лет до первой крупной вспышки болезни в Европе», — говорит Бурбано.
Исследователи сравнили исторические образцы с современными штаммами из Европы, Африки и Америки, а также с двумя тесно связанными видами Phytophthora. Ученые смогли с уверенностью оценить, когда различные штаммы Phytophthora расходились друг от друга в течение эволюционного периода. Штамм Phytophthora infestans HERB-1, вероятно, появился в начале 1800-х годов и продолжал свое глобальное завоевание на протяжении всего XIX века.
Только в двадцатом веке, после появления новых сортов картофеля, HERB-1 был заменен другим штаммом Phytophthora infestans, US-1.
Ученые обнаружили несколько связей с историческими событиями. Первый контакт между европейцами и американцами в Мексике в шестнадцатом веке совпал с заметным увеличением генетического разнообразия Phytophthora. Социальные потрясения в то время, возможно, привели к распространению патогена из центра его происхождения в долине Толука, Мексика.
Это, в свою очередь, ускорило бы его эволюцию.
Международная команда пришла к этим выводам после расшифровки полных геномов 11 исторических образцов Phytophthora infestans из листьев картофеля, собранных более чем за 50 лет. Они поступили из Ирландии, Великобритании, Европы и Северной Америки и хранились в гербариях Государственной ботанической коллекции Мюнхена и садов Кью в Лондоне.
«Оба гербария очень поверили в наши способности и очень щедро давали сушеные растения», — сказал Марко Тинес из музея Зенкенберга и Университета Гете во Франкфурте, одного из соавторов этого исследования. «Степень сохранности ДНК в образцах гербария действительно нас удивила», — добавляет Йоханнес Краузе из Тюбингенского университета, еще один соавтор.
Благодаря замечательному качеству и количеству ДНК в образцах гербария, исследовательская группа смогла оценить весь геном Phytophthora infestans и его хозяина, картофеля, всего за несколько недель.
Методы селекции могут повлиять на эволюцию патогенов.
Это исследование напрямую документирует влияние селекции растений на генетический состав патогена. «Возможно, этот сорт вымер, когда в начале двадцатого века были выведены первые устойчивые сорта картофеля», — предполагает Йошида. "Что можно сказать наверняка, так это то, что эти результаты во многом помогут нам понять динамику появляющихся патогенов. Такая работа открывает путь к открытию еще многих сокровищ знаний, спрятанных в гербариях."