Для каждого, кто полагается на кофе, чтобы начать свой день, болезнь вялости кофе может оказаться самым важным заболеванием, о котором вы никогда не слышали. Это грибковое заболевание неоднократно изменяло мировое предложение кофе на протяжении последнего века, в результате чего страдали как фермеры в Африке, так и кафе по всему миру.

Инфицирование грибком Fusarium xylarioides приводит к характерной «вялости» у кофейных растений, блокируя и уменьшая способность растения транспортировать воду. Эта блокировка в конечном итоге убивает растение.

Некоторые из самых разрушительных патогенов растений в мире инфицируют своих хозяев именно так. С 1990-х годов вспышки болезни вялости кофе обошлись более чем в 1 миллиард долларов США, заставили закрыть бесчисленное количество ферм и привели к резким падениям национального производства кофе. В Уганде, одной из крупнейших стран-производителей кофе в Африке, производство кофе не восстановилось до уровня, предшествовавшего вспышке, до 2020 года, десятилетия спустя после того, как болезнь вялости кофе была впервые обнаружена там. А в 2023 году исследователи нашли доказательства того, что болезнь вялости кофе вновь возникла во всех кофейных регионах Код д'Ивуар.

Изучение генетики патогенов растений имеет ключевое значение для понимания того, почему это заболевание продолжает возвращаться и как предотвратить новую крупную вспышку.

Хотя ранние вспышки болезни вялости кофе затрагивали широкий спектр типов кофе, последующие эпидемии в основном затрагивали два вида кофе, доминирующих на мировых рынках сегодня: арабику и робусту.

Впервые идентифицированная в 1927 году, болезнь вялости кофе опустошила несколько сортов кофе, выращиваемых в Западной и Центральной Африке. Хотя фермеры боролись с грибком, переходя на якобы устойчивые сорта робусты в 1950-х годах, это временное облегчение было недолгим.

Болезнь вновь возникла в 1970-х годах на робусте, распространяясь по Восточной и Центральной Африке. К середине 1990-х годов урожайность резко упала, и производство кофе не смогло восстановиться в таких странах, как Демократическая Республика Конго.

Отдельно, исследователи выявили заболевание на арабике в Эфиопии в 1950-х годах и наблюдали его широкое распространение к 1970-м годам.

Хотя болезнь вялости кофе в настоящее время имеет эндемичный характер на низком и управляемом уровне в Восточной и Центральной Африке, любое будущее resurgence заболевания может оказаться катастрофическим для африканского производства кофе. Болезнь вялости кофе также представляет угрозу для производителей в Азии и Америке.

Болезнь вялости кофе развивалась параллельно с самим кофе. На протяжении последнего века она неоднократно возобновлялась, атакуя различные типы кофе каждый раз. Но отражали ли эти изменения быстрое развитие новых типов заболеваний или что-то совершенно иное?

Грибковые болезни опустошают растения на протяжении тысячелетий, причем самые ранние записи о вспышках относятся к библейским бедствиям. Как и у людей, у растений имеется иммунная система, которая защищает их от атак патогенов, таких как грибы.

Хотя большинство грибковых попыток инфекции терпят неудачу, небольшое число все же преуспевает благодаря постоянному эволюционному давлению на патогены, которые должны преодолеть защитные механизмы хозяев. В этой эволюционной гонке вооружений патогены и хозяева постоянно адаптируются друг к другу через генетические изменения в их ДНК. Циклы подъема и спада заболеваний происходят по мере того, как один получает преимущество над другим.

Здоровые кофейные растения. Фото Daily Coffee News от Ника Брауна.

Появление современного сельского хозяйства привело к широкому распространению монокультур генетически однородных культур. Хотя монокультуры значительно увеличили производство продуктов питания, они также способствовали деградации окружающей среды и повысили уязвимость растений к болезням.

Селекционеры пытались защитить монокультуры, вводя гены устойчивости к болезням, при этом фермеры широко применяли фунгициды и другие экологически вредные продукты. Но эти относительно слабые меры защиты для сотен акров одинаковых растений привели к вспышкам, опустошающим урожаи, от которых зависят люди.

Скорее всего, зависимость современного сельского хозяйства от монокультур позволила и ускорила эволюцию новых типов патогенов, способных преодолевать устойчивость в растениях. В результате культуры становятся более восприимчивыми к вспышкам заболеваний.

Понимание уроков прошлого крайне важно для избежания будущих пандемий растений. Но это может быть сложно, поскольку конкретные штаммы патогенов, вызывавшие предыдущие вспышки заболеваний, могут больше не существовать в природе или значительно изменились.

В моем исследовании эволюционной гонки вооружений между хозяином и патогеном в болезни вялости кофе я стремился решить эти проблемы, «возрождая» исторические штаммы грибка, вызывающего это заболевание, Fusarium xylarioides. Исследователи мало знают о том, почему ранние и поздние вспышки затрагивали разные типы кофе, поэтому я изучил генетические изменения в F. xylarioides, которые лежат в основе этого сужения его хозяев.

Я восстановил исторические генетические изменения в основных вспышках болезни вялости кофе за последние семь десятилетий, используя штаммы из библиотеки грибов — коллекций культур, которые сохраняют живые грибы. Эти библиотеки хранят данные о живых организмах в долгосрочной перспективе и отражают генетическое разнообразие грибов, существующее в момент сбора.

Зависит от того, возьмет ли патоген верх в эволюционной гонке вооружений, от его способности генерировать новые типы генов. Он может делать это, изменяя и изменяя свою ДНК или перемещая ДНК последовательности между организмами в процессе, называемом горизонтальным переносом генов. Эти механизмы могут создавать новые эффекторные гены, которые позволяют патогенам заражать и колонизировать растения-хозяева.

Сначала я секвенировал шесть полных геномов штаммов, участвовавших в вспышках до 1970-х годов, а также более поздние вспышки, которые специально затрагивали арабику или робусту. Я обнаружил, что штаммы F. xylarioides, специфичные для арабики или робусты, генетически различались друг от друга, при этом большая часть этих различий наследовалась от родителя к потомству. Этот процесс называется вертикальным наследованием.

Однако я также заметил, что несколько регионов генома F. xylarioides могли быть потенциально приобретены горизонтально от F. oxysporum, глобального патогена растений, который заражает более 120 культур, включая бананы и помидоры. Это касалось различных регионов генома разных штаммов, специфичных для арабики и робусты.

Но привели ли эти изменения к появлению новых эффекторных генов в штаммах F. xylarioides, которые инфекционно воздействуют именно на арабику и робусту? Чтобы ответить на этот вопрос, сначала я секвенировал и собрал первый референсный геном F. xylarioides, соединяя длинные участки ДНК. Затем я секвенировал и сравнил этот референсный геном с полными геномами трех дополнительных штаммов F. xylarioides до 1970-х годов и 10 дополнительных исторических штаммов Fusarium, найденных на или около заболевших кофейных кустах, а также штаммов F. xylarioides из инфицированных семян арабики.

Я нашел существенные доказательства горизонтального переноса генов, вызывающих болезни, между видами Fusarium. Это включает наличие гигантских генетических компонентов, называемых Starships, в Fusarium. Эти так называемые прыгучие гены несут свое собственное молекулярное оборудование, что позволяет им перемещаться по геномам или между ними. Гены, связанные с адаптацией, такие как гены, связанные с вирулентностью, метаболизмом или взаимодействием с хозяином, также движутся вместе с ними. Ученые полагают, что Starships могут потенциально позволить грибам адаптироваться к меняющимся условиям окружающей среды.

Я обнаружил, что крупные и сильно схожие генетические регионы, включая Starships и активные эффекторные гены, участвующие в заболевании, были перемещены с F. oxysporum на F. xylarioides. Важно отметить, что различные генетические регионы были присутствуют в штаммах F. xylarioides, специфичных для арабики и робусты, но отсутствовали у других связанных видов Fusarium. Это предполагает, что эти гены были получены от F. oxysporum.

Сегодня треть мирового урожая теряется из-за вредителей и болезней. Устранение противоречий между сельскохозяйственной продуктивностью и защитой окружающей среды является важным для баланса потребностей человечества в будущем. Ключевым аспектом этой проблемы является сокращение распространения заболеваний и новых вспышек.

На противоположной стороне монокультур многие виды растений, окружающие и находящиеся внутри малых и семейных кофе-ферм в странах к югу от Сахары, могут выступать в роли резервуаров болезней, где могут прятаться грибковые патогены. Среди них — банановые деревья и сорняки Solanum из семейства пасленовых, которые восприимчивы к грибковым инфекциям.

Человеческие практики ведения сельского хозяйства могли непреднамеренно создать искусственную нишу для этих грибов, поскольку кофейные кусты пришли в широкий контакт с банановыми растениями и сорняками Solanum. Если грибы в одном и том же роде могут часто обмениваться генетическим материалом, это может ускорить способность патогенов растений адаптироваться к новым хозяевам.

Тестирование неплодовых растений на инфекцию F. xylarioides может раскрыть альтернативные виды растений, где разные грибы Fusarium вступают в контакт и обмениваются генетическим материалом. Это важно, потому что на юге Сахары кофейные растения часто соседствуют с банановыми деревьями и сорняками. Если эти соседние растения могут быть источниками грибов, которые действуют как новые источники генетического разнообразия, они могут способствовать появлению новых штаммов болезни.

Идентификация растений, которые могут служить хозяевами для грибов, может дать фермерам практические варианты для снижения риска заболеваний кофейных растений, начиная от целенаправленного управления сорняками и заканчивая избеганием посадки уязвимых культур рядом друг с другом.

Лили Пек
Лили Пек — постдокторант в области эволюционной биологии, Университет Калифорнии, Лос-Анджелес.

Теги: Арабика, бананы, болезнь вялости кофе, Демократическая Республика Конго, болезни, Эфиопия, грибковые патогены, Fusarium oxysporum, Fusarium xylarioides, геномика, горизонтальный перенос генов, Код д'Ивуар, монокультура, фитопатология, Робуста, Starships, страны к югу от Сахары, помидоры, Уганда.