Быстрая и сложная адаптация бесполых патогенов
Как грибы, размножающиеся только вегетативно, могут так быстро адаптироваться к иммунной системе растений? Ответ, по-видимому, кроется в способности ДНК бесполого патогена быстро меняться благодаря «прыгающим генам» (транспозонам) и генетической модификации, широко распространенной в природе.
Борьбу между патогенным грибом и растением-хозяином можно сравнить с бесконечным армрестлингом, который в итоге выигрывают сильнейшие гены. Гриб заражает растение, иммунная система растения «учится» его распознавать. Патогену приходится адаптироваться, чтобы обойти иммунную систему хозяина и больше не быть узнанным... И цикл повторяется.
Поскольку бесполые грибы производят потомство, идентичное самим себе, они не могут создавать новые комбинации свойств так, как это делают размножающиеся половым путем организмы. Долгое время считалось, что бесполые патогены плохо эволюционируют и не могут хорошо адаптироваться, что в итоге приводит к их перехвату иммунной системой хозяев. Однако это не так. Исследовательская группа Барта Томмы из Wageningen UR обнаружила, как бесполый патоген Verticillium использует транспозоны, или «прыгающие гены», для быстрой и эффективной адаптации к новым вызовам.
Каждый геном частично состоит из сегментов чужеродной ДНК (включая вирусы), которые ведут собственную жизнь как «интервенты». Некоторые из этих интервентов могут прыгать, и такие прыгающие гены могут изменять функционирование гена, в который они попадают.
В своем исследовании, опубликованном в Genome Research, Луиджи Фаино и Майкл Сейдл (под руководством Томмы) показали, что патогенный гриб Verticillium dahliae, вызывающий вертициллезное увядание у таких растений, как томат, способен активировать свои транспозоны. Целенаправленная активация — только в специфических частях генома, важных для производства компонентов, необходимых для заражения растения, — приводит к ускоренной эволюции геномных регионов, релевантных для патогенности.
В результате гриб может адаптироваться так, что иммунная система растения-хозяина перестает его распознавать. Поскольку Verticillium dahliae способен «усмирять» транспозоны в других частях генома, белки, обеспечивающие важнейшие базовые клеточные функции патогена, остаются неизменными. Геном Verticillium dahliae также показывает, что патоген иногда «похищает» ДНК других организмов и встраивает её в свою собственную, чтобы манипулировать хозяином. Там, куда прыгают транспозоны, возникают разрывы в ДНК, что может позволить встроить чужеродную ДНК.
«Это можно назвать естественной генетической модификацией, и это, безусловно, очень умный ход со стороны патогена», — говорит Барт Томма. «Наше исследование доказывает ускоренную эволюцию через транспозоны. Это по-прежнему тот же гриб с той же ДНК, но, умно используя прыгающие гены и чужеродную ДНК, он способен адаптироваться. В результате иммунная система хозяина перестает его узнавать, и патоген может продолжать заражать растение».
Другой способ адаптации бесполых патогенов описан в недавней публикации в Current Opinion in Microbiology за авторством Джаспера Депотера и Барта Томмы, где они описывают роль гибридизации в эволюции патогенов. Речь идет о слиянии двух разновидностей грибов, в результате чего возникает новая разновидность с вдвое большим количеством ДНК и полным набором новых свойств. Патоген может стать более агрессивным или даже превратиться в совершенно новый патоген. Такой тип слияния обычно происходит у микроорганизмов и также возможен для бесполых патогенов.
ДНК грибного патогена Verticillium longisporum показывает, что он является результатом слияния Verticillium dahliae с другим неизвестным грибом. Благодаря этому слиянию Verticillium longisporum обладает большим количеством ДНК и, следовательно, большим числом дополнительных свойств, что позволяет ему заражать растения семейства Brassica так, как не может Verticillium dahliae.
ДНК разновидностей Verticillium раскрывает эволюцию гриба. Например, гены показывают, как Verticillium за годы перестраивался, чтобы выжить в своем хозяине. Томма: «ДНК ясно иллюстрирует важность и процесс эволюции».