Fusarium xylarioides, en jordbåren svamp forårsager "kaffevisnesygdom", som har en historie med at forårsage betydelige skader på kaffeafgrøder. Der var udbrud af sygdommen i 1920'erne, som blev håndteret på passende vis. Sygdommen smeltede dog sammen med tiden, hvilket førte til udbrud, der forårsagede alvorlige afgrødeskader. Tidligere undersøgelser havde indikeret, at den forårsagende svampeart kan have udviklet sig ved at erhverve gener fra beslægtet art. En undersøgelse offentliggjort den 5. december 2024 har bekræftet, at genopkomsten af udbrud af kaffevisnesygdom skyldtes horisontale genoverførsler fra den beslægtede svampeart Fusarium oxysporum til den forårsagende art Fusarium xylarioides, hvilket gjorde det muligt for de årsagssvampearter at udvikle sig og erhverve passende egenskaber til at inficere afgrøderne, hvilket fører til genudbrud af udbrud og skader på kaffeplanter.
I gensplejsning overføres nyt gen eller DNA kunstigt ind i en organismes celle ved hjælp af vektorer såsom plasmider eller modificerede vira til at introducere ny evne til en organisme.
I naturen foregår genoverførsel eller overførsel af genetisk information ved reproduktion vertikalt fra forældre til afkom ned generationer. Dette er et fælles træk hos eukaryoter, som gør dem i stand til at erhverve variation til tilpasning og evolution. I prokaryoter, såsom i bakterier, overføres genetiske materialer imidlertid horisontalt (eller lateralt) mellem organismer af samme generation uden at involvere reproduktion. Dette kaldes horisontal genoverførsel (HGT) og er den eneste måde, hvorpå bakterier kan erhverve nye gener for at tilpasse sig negative selektionstryk og udvikle sig for at overleve. Dette kan ske ved overførsel af DNA fra miljøet og dets integration i bakteriel kromosom eller plasmid (transformation). Gener kan også overføres horisontalt fra en bakterie til en anden ved bakterieinficerende virus eller bakteriofager (transduktion), eller ved direkte horisontal overførsel af gener fra en donorbakteriecelle til en modtagercelle via sexpilus (konjugation).
Selvom det overvejende observeres i prokaryoter, er horisontal genoverførsel også forbundet med eukaryoter. Endosymbiose vides at have spillet en rolle i eukaryot evolution gennem bakterie-eukaryot genoverførsel. Flere tilfælde af eukaryot-eukaryot genoverførsel er blevet dokumenteret.
Fænomenet horisontal genoverførsel er væsentligt, fordi det bidrager til evolution. Dette er f.eks. ansvarlig for udviklingen af antibiotika-resistente/multidrug-resistente bakteriestammer, hvilket er et stort folkesundhedsproblem. Inden for landbruget har horisontal genoverførsel mellem beslægtede svampearter længe været mistænkt for genudbrud af udbrud af kaffevisnesygdom.
Kaffevisnesygdom
Kaffe er en vigtig kommerciel afgrøde. Dets globale markedsstørrelse anslås at være omkring 223 milliarder dollars. Kaffeplanten tilhører slægten Coffea. Den har mange arter, men Arabica- og Robusta-arter er de mest populære og tegner sig for det meste af den globale produktion. Coffea arabica står for 60–80 % af verdens kaffeproduktion, mens Coffea canephora (almindeligvis kendt som Coffea robusta) tegner sig for omkring 20-40%.
Kaffevisnesygdom er forårsaget af en jordbåren svamp Fusarium xylarioides som får adgang gennem afgrødens rødder for at kolonisere xylemet, der nedbryder cellevæggene for næringsstoffer. Det blokerer for vandoptagelsen, hvilket fører til visning af planterne. Den relaterede svamp Fusarium oxysporum er også et jordbårent patogen, der spredes gennem angrebet jord og er ansvarlig for visnesygdom i mange afgrøder, såsom Panama-sygdom i bananer, tomatvaskulær visnesyge osv. F. oxysporum lever af andre planter (såsom banan) blandet med kaffe til skygge, men deler kaffe som vært med F. xylarioides.
Siden 1920'erne har kaffeafgrøderne i Afrika haft periodiske udbrud af visnesygdomme med skadelig indvirkning på kaffen produktion og bøndernes levebrød, især i Etiopien og det centrale Afrika. De tidligste udbrud i 1920'erne blev med succes håndteret ved hjælp af passende midler, men sygdommen dukkede op igen i 2000'erne. Gjorde den forårsagende svamp Fusarium xylarioides gennemgår udvikling efter de første udbrud i 1920'erne for at øge evnen til at inficere kaffeplanter, hvilket fører til genopkomst af udbrud? Det var der indikationer fra undersøgelser på F. xylarioides erhvervede gener for at øge evnen til at inficere.
Historisk genomisk undersøgelse offentliggjort i 2021 understøttede ideen om, at arabica- og robusta-kaffeplanterne delvist erhvervede forskellige effektorgener via horisontal overførsel fra F. oxysporum. Effektorgener koder for molekyler involveret i sygdomsetablering. Disse gener udtrykkes gennem svampenes livscyklus for at understøtte sygdomsprocessen.
I den nylige undersøgelse offentliggjort den 5. december 2024 udførte forskere sammenlignende genomisk analyse af 13 historiske stammer af F. oxysporum at forstå, hvordan visnesygdomme, der forårsager svamp, udviklede sig og tilpassede sig dens værtskaffeplanter. Det fandt man ud af F. Xylarioides har fire forskellige slægter: en tilpasset arabica kaffeplanter, en tilpasset robusta kaffeplanter og to historiske slægter, der levede af beslægtede kaffearter. Yderligere havde disse stammer erhvervet kritiske gener fra de beslægtede F. oxysporum, som muliggjorde den sygdomsfremkaldende F. xylarioides at nedbryde cellevæggene i kaffeplanter for at forårsage visnesygdom. Den eukaryote-eukaryote horisontale genoverførsel fra F. oxysporum til F. xylarioides gjorde det muligt for førstnævnte at inficere kaffeplanter effektivt gør genopkomst af kaffevisnesygdom mulig.
Denne forståelse af, hvordan sygdommen er forårsaget, kan være nyttig til at finjustere landbrugspraksis og håndtere plantesygdomme mere effektivt.
***
Referencer:
- University of Colorado Denver. Horisontal genoverførsel – aktivitetsguide. Tilgængelig kl https://www.ucdenver.edu/docs/librariesprovider132/a-sync_sl/genetics/upload-2/bacterial-genetics/horizontal-gene-transfer-activity-guide.pdf
- Keeling, P., Palmer, J. Horisontal genoverførsel i eukaryotisk evolution. Nat Rev Genet 9, 605-618 (2008). https://doi.org/10.1038/nrg2386
- Peck, LD, et al. Historisk genomik afslører de evolutionære mekanismer bag flere udbrud af det værtsspecifikke kaffevisnepatogen Fusarium xylarioides. BMC Genomics 22, 404 (2021). Udgivet: 04. juni 2021. DOI: https://doi.org/10.1186/s12864-021-07700-4
- Peck LD, et al. Horisontale overførsler mellem Fusarium-svampearter bidrog til successive udbrud af kaffevisnesygdom. PLoS Biologi. Udgivet: 5. december 2024. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002480
***
