Несколько изменений в геноме превращают патогенный гриб в потенциально полезный организм

Растения, ведя сидячий образ жизни, должны максимально использовать свое окружение. Для этого они задействуют неизвестные ранее молекулярные механизмы, чтобы определить, что им полезно, а что вредно. Они также предоставляют микроорганизмам доступ к своим корням в обмен на необходимые питательные вещества из почвы.

Почвенный гриб Colletotrichum tofieldiae служит модельному растению Arabidopsis таким "сожителем", когда это необходимо. Растение принимает гриб как поставщика фосфата в ситуациях, когда само не имеет доступа к этому минералу, но отвергает его, если может самостоятельно получать фосфат. Таким образом, растение очень точно взвешивает требования окружающей среды, на которые должно реагировать. В этом процессе ключевую роль играет иммунная система растения.

Ученые из Института селекции растений Общества Макса Планка в Кёльне исследовали, какие изменения позволяют Colletotrichum tofieldiae избегать полной силы иммунного ответа растения при определенных условиях. Они обнаружили, что для превращения патогена в партнера достаточно всего нескольких изменений в геноме.

Грибы рода Colletotrichum обычно являются патогенами. Следовательно, C. tofieldiae должен был претерпеть изменения в ходе эволюции, чтобы стать потенциальным другом Arabidopsis.

Генетическое сравнение

• Ученые сравнили геномы нескольких штаммов полезного вида C. tofieldiae с геномами его вредного родственника Colletotrichum incanum.
• Последний общий предок этих двух видов грибов жил около 8 миллионов лет назад и вел патогенный образ жизни. Полезные адаптации возникли позже.
• Сравнение с другими полезными видами грибов показало, что не существует универсального набора генов, обеспечивающего симбиоз грибов и растений. Это означает, что такие симбиотические отношения возникали в ходе эволюции независимо несколько раз.

Ключевые генетические различия

• Переход от патогена к полезному сожителю основан на относительно немногих генетических изменениях. Из почти 13 000 генов 11 300 идентичны. За 8 миллионов лет полезный гриб приобрел 1 009 генов и потерял 198.
• Особенно заметно изменение в количестве генов эффекторов — белков, которые позволяют микроорганизмам подавлять иммунную систему растений. У полезного гриба всего 133 гена эффекторов, в то время как у его вредного родственника их на 50% больше.
• Гены эффекторов у полезного гриба почти не считываются при колонизации корня. Белки, которые они кодируют, не требуются.
• Ученые пришли к выводу, что симбиоз возможен благодаря тому, что гены, изначально ответственные за патогенность гриба, остаются выключенными и не вступают в игру.

Реакция растения Arabidopsis

Реакция растения на грибы зависит от количества растворимого фосфата в почве:

• При достаточном количестве фосфата растение активирует свою иммунную систему, чтобы не допустить полезный гриб к корням, так как не нуждается в нем.
• При недостатке фосфата растение подавляет иммунный ответ на полезный гриб.
• Вредный гриб подвергается полной силе иммунной системы растения при любых условиях, так как не может предложить Arabidopsis ничего взамен.

Таким образом, в условиях дефицита питательных веществ иммунный ответ растения ослабляется только тогда, когда полезный гриб поставляет фосфат из почвы для роста растения.