Fusarium xylarioides, jarðvegsborinn sveppur veldur „kaffiveiki“ sem hefur sögu um að valda verulegum skaða á kaffiuppskeru. Sjúkdómurinn braust upp á 1920 sem var stjórnað á viðeigandi hátt. Hins vegar sameinaðist sjúkdómurinn aftur þegar fram liðu stundir sem leiddi til faraldra sem olli miklum uppskerutjónum. Fyrri rannsóknir höfðu gefið til kynna að orsök sveppategundin gæti hafa þróast með því að eignast gena frá skyldri tegund. Rannsókn sem birt var 5. desember 2024 hefur staðfest að enduruppkoma uppkomu kaffisveppssjúkdóms var vegna láréttra genaflutninga frá skyldu sveppategundinni Fusarium oxysporum til orsakategundarinnar Fusarium xylarioides sem gerði orsakasveppategundinni kleift að þróast og eignast viðeigandi eiginleikar sem sýkja ræktunina sem leiða til þess að uppkomur koma aftur upp og skemmdir á kaffiplöntum.
Í erfðatækni er nýtt gen eða DNA flutt tilbúnar inn í frumu lífveru með því að nota ferjur eins og plasmíð eða breyttar vírusar til að kynna nýja getu til lífveru.
Í náttúrunni fer genaflutningur eða miðlun erfðaupplýsinga fram í æxlun lóðrétt frá foreldrum til afkvæma niður kynslóðir. Þetta er algengur eiginleiki í heilkjörnungum sem gerir þeim kleift að öðlast breytileika til aðlögunar og þróunar. Í dreifkjörnungum eins og í bakteríum eru erfðaefni hins vegar flutt lárétt (eða hliðar) á milli lífvera af sömu kynslóð án þess að hafa í för með sér æxlun. Þetta er kallað lárétt genaflutningur (HGT) og er eina leiðin sem bakteríur geta eignast ný gen til að laga sig að neikvæðum valþrýstingi og þróast til að lifa af. Þetta getur gerst með því að flytja DNA úr umhverfinu og sameina það í bakteríulitning eða plasmíð (umbreytingu). Gen geta einnig verið flutt lárétt frá einni bakteríu til annarrar með bakteríusýkingu vírusum eða bakteríufrumum (transduction), eða með beinum láréttum flutningi gena frá gjafabakteríafrumu til móttakandafrumu í gegnum kynpilus (samtengingu).
Þó það sést aðallega í dreifkjörnungum er lárétt genaflutningur einnig tengdur heilkjörnungum. Vitað er að endosymbiosis hefur gegnt hlutverki í þróun heilkjörnunga með genaflutningi baktería og heilkjörnunga. Nokkur dæmi um flutning heilkjörnunga – heilkjörnunga gena hafa verið skráð.
Fyrirbærið láréttur genaflutningur er mikilvægur vegna þess að hann stuðlar að þróun. Til dæmis er þetta ábyrgt fyrir þróun sýklalyfjaónæmra/fjöllyfjaónæma bakteríustofna sem er stórt lýðheilsuvandamál. Í landbúnaði hefur lengi verið grunur um hlutverk lárétts genaflutnings milli skyldra sveppategunda í því að uppkoma kaffisýkingar komi aftur upp.
Kaffivilnunarsjúkdómur
Kaffi er mikilvæg uppskera í atvinnuskyni. Áætlað er að markaðsstærð þess á heimsvísu sé um 223 milljarðar dollara. Kaffiplantan tilheyrir ættkvíslinni Coffea. Hann hefur margar tegundir, en Arabica og Robusta tegundir eru vinsælastar og bera mestan hluta heimsframleiðslunnar. Arabica kaffi stendur undir 60–80% af kaffiframleiðslu heimsins á meðan Kaffi canephora (almennt þekkt sem Coffea robusta) eru um 20–40%.
Sjúkdómur í kaffi stafar af sveppum sem berst í jarðvegi Fusarium xylarioides sem fær inngöngu í gegnum rætur ræktunarinnar til að nýlenda xylemið og rýra frumuveggi fyrir næringarefni. Það hindrar vatnsupptöku sem leiðir til visnunar á plöntunum. Skylda sveppurinn Fusarium oxysporum er einnig jarðvegsborinn sýkill sem dreifist í gegnum sýktan jarðveg og er ábyrgur fyrir visnunarsjúkdómi í mörgum ræktun eins og Panamasjúkdómi í bönunum, tómataæðavölvun o.s.frv. F. oxysporum lifir á öðrum plöntum (eins og banana) sem eru blandaðar með kaffi í skugga en deilir kaffi sem gestgjafi með F. xylarioides.
Frá 1920 hefur kaffiræktun í Afríku orðið fyrir reglubundnum uppkomu visnusjúkdóms með skaðlegum áhrifum á kaffi framleiðslu og lífsviðurværi bænda, einkum í Eþíópíu og Mið-Afríku. Tókst tókst að stjórna fyrstu faraldrinum á 1920. áratugnum með viðeigandi aðferðum, en sjúkdómurinn kom aftur upp á 2000. áratugnum. Gerði orsakasveppinn Fusarium xylarioides gangast undir þróun eftir upphafsfaraldurinn á 1920. áratugnum til að auka getu til að sýkja kaffiplöntur sem leiða til þess að faraldur komi upp aftur? Það voru vísbendingar frá rannsóknum um það F. xylarioides áunnin gen til að auka getu til að smitast.
Söguleg erfðafræðirannsókn sem birt var árið 2021 studdi þá hugmynd að arabica- og robusta-kaffiplönturnar öðluðust að hluta til sérstök áhrifargen með láréttum flutningi frá F. oxysporum. Effector gen kóða sameindir sem taka þátt í stofnun sjúkdóms. Þessi gen eru tjáð allan lífsferil sveppa til að styðja við sjúkdómsferli.
Í nýlegri rannsókn sem birt var 5. desember 2024 gerðu vísindamenn samanburðargreiningu á erfðafræðilegri greiningu á 13 sögulegum stofnum af F. oxysporum til að skilja hvernig sveppur sem veldur visnusjúkdómum þróaðist og lagaði sig að hýsilkaffiplöntum sínum. Það kom í ljós að F. Xylarioides hefur fjórar aðskildar ættir: ein aðlöguð arabica kaffiplöntum, ein aðlöguð að robusta kaffiplöntum og tvær sögulegar ættir sem lifðu á skyldum kaffitegundum. Ennfremur höfðu þessir stofnar eignast mikilvæg gen frá skyldum F. oxysporum, sem gerði sjúkdómsvaldandi kleift F. xylarioides að brjóta niður frumuveggi kaffiplantna til að valda visnusjúkdómi. Heilkjörnunga-heilkjörnunga lárétt genaflutningur frá F. oxysporum til F. xylarioides leyfði þeim fyrrnefnda að smita kaffiplöntur á áhrifaríkan hátt sem gerir endurkomu kaffisveirusjúkdóms mögulega.
Þessi skilningur á því hvernig sjúkdómurinn stafar getur verið gagnlegur við að fínstilla landbúnaðarhætti og stjórna plöntusjúkdómum á skilvirkari hátt.
***
Tilvísanir:
- Háskólinn í Colorado Denver. Lárétt genaflutningur – virknileiðbeiningar. Fæst 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. Lárétt genaflutningur í heilkjörnungaþróun. Nat Rev Genet 9, 605–618 (2008). https://doi.org/10.1038/nrg2386
- Peck, LD, o.fl. Söguleg erfðafræði afhjúpar þróunaraðferðina á bak við margskonar uppkomu hýsilsértæks kaffisýkingar, Fusarium xylarioides. BMC Genomics 22, 404 (2021). Birt: 04. júní 2021. DOI: https://doi.org/10.1186/s12864-021-07700-4
- Peck LD, o.fl. Láréttir flutningar á milli Fusarium tegunda sveppa áttu þátt í því að kaffiveiki kom upp í röð. PLoS líffræði. Birt: 5. desember 2024. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002480
***