Горизонтальный перенос генов: как грибы улучшают способность заражать насекомых
Исследователи из Кильского эволюционного центра впервые детально изучили, как важный для биологической защиты растений гриб может передавать преимущественную хромосому горизонтально, используя малоизученный способ обмена генетической информацией.
Грибы рода Metarhizium используются для биологической защиты растений, например, в выращивании сахарного тростника в Южной Америке, поскольку они способны заражать и убивать насекомых-вредителей.
В совместном проекте с Институтом науки и технологий Австрии (ISTA) исследователи из Кильского университета изучили генетические изменения у гриба Metarhizium robertsii во время заражения инвазивного аргентинского муравья (Linepithema humile). Они проанализировали геномы разных штаммов грибов M. robertsii и Metarhizium brunneum из эксперимента с коинфекцией, где муравьи заражались смесью грибов, а выросшие споры использовались для заражения новых муравьёв в течение 10 последовательных циклов.
Анализ геномов грибов из этих серий инфекций показал, что одна хромосома очень часто обменивалась горизонтально между двумя разными штаммами. Этот горизонтальный перенос целых хромосом редко описывался в науке и теперь впервые изучен детально. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Горизонтальный перенос хромосом у гриба, поражающего насекомых
«У грибов и многих других эукариотических организмов горизонтальный перенос генов в виде целых хромосом встречается очень редко и до сих пор почти не изучен», — говорит доктор Майкл Хабиг, первый автор исследования.
Анализ генетической информации показал, что M. robertsii независимо передал одну и ту же хромосому пять раз в ходе экспериментов с коинфекцией, но не передавал другую генетическую информацию.
Дальнейший анализ также показал, что та же хромосома присутствует у отдалённо родственного, также поражающего насекомых вида гриба Metarhizium guizhouense, общий эволюционный предок с которым существовал около 15 миллионов лет назад. Хромосома у M. guizhouense изменена значительно меньше, чем можно было бы предположить за такой длительный период раздельной эволюции. Это указывает на то, что хромосома, вероятно, также передавалась естественным путём между этими разными видами грибов — и, по-видимому, горизонтально.
Анализ хромосомы указывает на возможные преимущества для гриба
Исследуемая хромосома является аксессуарной (дополнительной), то есть она присутствует не у всех особей вида и содержит несущественную генетическую информацию.
Эксперименты показали, что при определённых условиях гриб, получивший аксессуарную хромосому, имел конкурентные преимущества перед грибами того же штамма, не получившими хромосому, и мог вытеснять их.
На хромосоме содержатся сотни генов. Уже удалось идентифицировать 13 генов-кандидатов, которые, предположительно, могут кодировать эффекторные белки, взаимодействующие с иммунной системой насекомых. Также на хромосоме найдены гены трёх ферментов, расщепляющих хитин, которые могут играть роль в разрушении содержащей хитин кутикулы насекомого-хозяина.
«Это может влиять на ключевой этап процесса заражения, поскольку споры гриба зависят от способности проникнуть через защитный экзоскелет хозяина», — говорит профессор Сильвия Кремер, последний автор исследования из ISTA.
Выводы и перспективы
Новое исследование показывает, что горизонтальный перенос хромосом происходит у грибов регулярно и этот механизм может давать преимущества штамму-реципиенту, по крайней мере, в экспериментах при определённых условиях.
Впервые детально описан новый аспект в эволюции генома грибов, который может позволять им использовать бактериоподобные механизмы быстрой эволюционной адаптации, например, для повышения вирулентности и передачи генетической информации через видовые границы.
В будущем исследователи планируют на примере M. robertsii детально изучить взаимосвязи между горизонтальным переносом хромосом, возможными преимуществами для приспособленности и взаимной адаптацией грибов и насекомых.