Irska glad krompira iz 1840-ih stoji kao oštar podsjetnik na razarajući utjecaj biljne bolesti na sigurnost hrane. Bolest koja je opustošila irske usjeve krompira, uzrokovana patogenom Phytophthora infestans, dovelo je do široko rasprostranjene gladi i opadanja stanovništva. Međutim, bitka između krompira i ovog patogena nije završila u 19. veku. Zapravo, borba se nastavlja i danas dok se uzgajivači biljaka i naučnici utrkuju da nadmaše patogena koji se razvija.
Nedavna studija Državnog univerziteta Sjeverne Karoline bacila je novo svjetlo na ovu evolucijsku utrku u naoružanju. Objavljeno u Nature Communications, ovo istraživanje je prvo koje je istovremeno analiziralo i gene otpornosti biljke krompira i efektorske gene patogena – one koji pomažu da patogen zarazi domaćina. Ispitivanjem DNK iz istorijskih listova krompira, istraživači su uspeli da prate koevoluciju i biljke i patogena tokom prošlog veka.
Revolucionarni pristup
Istraživački tim, predvođen bivšom diplomiranom studenticom Allison Coomber i profesorom Jean Ristaino, koristio je najmoderniju tehniku poznatu kao sekvenciranje ciljanog obogaćivanja. Ova metoda im je omogućila da ekstrahuju i analiziraju specifične fragmente DNK i iz biljke i iz patogena prisutnih na istim uzorcima lista. U tradicionalnim studijama, istraživači bi se fokusirali ili na biljku ili na patogen, ali ovaj dvostruki pristup nudio je sveobuhvatniji pogled na njihovu interakciju.
Dr Jean Ristaino, ugledni profesor biljne patologije na Univerzitetu Sjeverne Karoline, William Neal Reynolds, naglasio je novinu ove metode:
“Nismo mogli obaviti ovaj posao prije 15 godina jer genomi nisu sekvencirani. Strategija dvostrukog obogaćivanja omogućila nam je da uhvatimo ciljane regije genoma i domaćina i genoma patogena, čak i u nejednakim količinama.”
Istraživanje se fokusiralo na FAM-1 soj od Phytophthora infestans, koji je bio odgovoran za irsku glad od krompira i od tada je nastavio da muči usjeve krompira širom sveta. Studija je otkrila da ovaj soj može odoljeti biljci krompira R1 gen otpornosti mnogo prije nego što su ga oplemenjivači počeli primjenjivati. Ovo sugerira da je patogen već bio izložen sličnim genima otpornosti u populacijama divljeg krompira, što mu je dalo prednost u prevazilaženju ljudske intervencije.
Adaptacija patogena
Jedan od najupečatljivijih nalaza studije bila je izuzetna sposobnost patogena da evoluira kao odgovor na napore otpora. Čak i kada su uzgajivači biljaka uveli nove gene otpornosti, patogen je uspio ostati korak ispred, mijenjajući svoje efektorske gene kako bi održao svoju infektivnu moć. Istraživanje je također otkrilo da je patogen dodao skup hromozoma između 1845. i 1954. godine, što je vjerovatno doprinijelo njegovom evolucijskom uspjehu.
Međutim, nisu se svi efektorski geni patogena promijenili. Neki su ostali izuzetno stabilni tokom prošlog veka, što sugeriše da igraju ključnu ulogu u njegovom opstanku. Usmjeravanje na ove stabilne gene može biti potencijalna strategija za buduće napore u oplemenjivanju biljaka.
Coomber je objasnio značaj ovih stabilnih gena:
“Nakon 100 godina ljudske intervencije, postoje neki geni koji se nisu mnogo promijenili u patogenu. Vrlo su stabilne, potencijalno zato što su zaista važne za patogen. Usmjeravanje na te gene bi zaista otežalo patogenu da razvije suprotan odgovor.”
Implikacije za budući uzgoj
Nalazi studije mogli bi imati dalekosežne implikacije na buduće programe uzgoja krompira. Razumijevanjem kako je patogen evoluirao tokom vremena, uzgajivači mogu razviti učinkovitije strategije otpornosti. Na primjer, mogu se odlučiti da koriste gene otpornosti koji su se pokazali stabilnijima ili kombiniraju više gena otpornosti iz različitih divljih vrsta krompira – strategija poznata kao piramidiranje.
Dr Ristaino je primetio:
“Teško je raditi efikasno oplemenjivanje biljaka kada ne znamo dovoljno o patogenu. Sada kada znamo koji su se efektori promijenili tokom vremena, uzgajivači bi mogli koristiti gene otpornosti koji su stabilniji ili piramidalno višestruke gene otpornosti iz različitih divljih domaćina.”
Ovo istraživanje predstavlja značajan korak naprijed u tekućoj borbi protiv Phytophthora infestans i naglašava važnost razumijevanja genetike biljaka i patogena. Rad je finansiran iz nekoliko grantova, uključujući podršku Triangle centra za evolucijsku medicinu i Nacionalne naučne fondacije.
Studija Državnog univerziteta Sjeverne Karoline naglašava složenost interakcija između biljaka i patogena i izazove s kojima se susreću uzgajivači u razvijanju trajne otpornosti. Kao trka u naoružanju između biljaka krompira i Phytophthora infestans nastavlja se, ovo istraživanje pruža ključne uvide koji bi mogli dovesti do otpornijih usjeva u budućnosti. Usmjeravanje na stabilne efektorske gene i korištenje strategija poput genske piramide mogu ponuditi nove načine za borbu protiv jedne od najupornijih prijetnji poljoprivrede.