生物学

防止黄麻腐烂的工具:解决真菌问题

黄麻在孟加拉国种植,为其纤维制造各种商品进行日常使用。随着环境挑战,黄麻面临着真菌病原体的毁灭性威胁Macrophomina phaseolina黄麻茎腐病可使黄麻产量降低30%。真菌在土壤和种子中的寿命很长,无法有效控制这种疾病。需要一种新的方法来解决这个问题。在孟加拉国黄麻研究所,由Maqsudul Alam教授领导的黄麻基础和应用研究项目通过对这种真菌的基因组测序解决了这个问题。这使得人们对这种破坏性的、持久性病原体的生活方式有了更好的了解。

黄麻是一种纤维作物,因其坚韧、有光泽的纤维被制造业用于生产各种日常使用的产品。黄麻生长在孟加拉国等气候温暖潮湿的国家。与所有植物一样,黄麻面临着来自环境和其他生物有机体的不利威胁。黄麻中的主要致病微生物之一是真菌病原体Macrophomina phaseolinaMS6。这种真菌持续存在于土壤中,攻击黄麻植物的核心,导致黑色、腐烂的茎,并最终死亡。由于其寄生宿主的多样性和在环境中的持久性,用化学药剂防治真菌的效果不佳。因此,了解病原体的生活方式以及它如何与宿主植物相互作用将为解决这种毁灭性疾病提供进一步的线索。BARJ项目的一个团队已经做了一些重要的研究来解码这种真菌病原体的基因组,导致茎腐病。

黄麻病原Macrophomina phaseolina MS6存在于土壤中,侵染黄麻植株。

与看不见的
由于无梗,植物面临着各种各样的威胁。这些威胁不仅包括极端气候,而且还包括微生物(肉眼看不到的微生物)和可导致植物疾病的害虫。引起疾病的微生物被称为病原体;这些生物有能力以植物防御反应无法应对的速度攻击和破坏宿主植物组织。因此,植物会因疾病而死亡。然而,大多数情况下,植物有大量的武器来抵抗入侵病原体的攻击。这些武器包括识别和抑制病原体使用的感染机制的基因产物。反过来,病原体进化以抵抗植物的“武器”,因此变得更具传染性。因此,植物-病原体相互作用的结果可能是抗性(植物获胜)或疾病(病原体获胜)。这取决于病原体的类型和植物种类。

在真菌的生命王国里,真菌Macrophomina phaseolina是一种毁灭性的病原体,它可以攻击500多种不同的植物。

在真菌的生命王国里,真菌Macrophomina phaseolina是一种毁灭性的病原体,因为它可以攻击500多种不同的植物。它是一种坏死性病原,意味着它能迅速杀死寄主植物细胞,并从死亡细胞中获得营养。它在土壤中通过形成一个真菌团(称为菌核)而茁壮成长,这种真菌团可以在恶劣的条件下存活四年以上。它可以进入寄主植物的任何发展阶段,从种子到成熟的植物。这种真菌能在温暖潮湿的环境中生长。此外,低土壤湿度有利于真菌的生长,因此在干旱易发地区这种疾病更为普遍。

Macrophomina phaseolina是一种坏死性病原体,这意味着它迅速杀死宿主植物细胞并从死亡细胞中获取营养。Damian Herde / Shutterstock.com

腐烂在黄麻
黄麻面临腐烂的攻击威胁Macrophomina phaseolina.真菌在土壤中形成菌核,然后通过进入茎和根的中心组织感染敏感的黄麻植物。真菌侵入植物组织并扩散,最终导致黄麻的茎腐和根腐(也称为炭腐),导致枯萎和死亡。这种病原体造成的破坏造成黄麻生产30%以上的产量损失。这种病原体对黄麻的侵袭方式背后的原因尚不清楚。此外,也不知道为什么黄麻植物不能有效地抵抗这种病原体的防御武器。

一些控制措施,以减少这种真菌包括收集种子健康植物在无病领域,作物轮作与水稻,并喷洒杀菌剂。然而,这些方法并不总是可靠的,因为真菌可以通过空气传播,而且它对杀菌剂产生了抗药性。深入了解病原体的生活方式及其与黄麻植物的相互作用,将有助于采取有针对性的方法来遏制这种病原体。

Macrophomina phaseolina通过植物组织入侵扩散,最终导致黄麻的茎腐和根腐。Kritchai7752 / Shutterstock.com

破解腐朽的代码
了解如何Macrophomina phaseolina生长,仍然存在于环境中,并攻击它感染的众多寄主植物,孟加拉国黄麻研究所的科学家解释了这种真菌病原体的整个遗传含量(基因组)。在这样做时,科学家们破译了这种真菌中所有基因的序列。

基因是一串化学物质按照特定的顺序排列在一起,构成了DNA。任何生物体中都有几个基因;这些基因中的大多数被细胞处理以产生信息,然后这些信息继续制造蛋白质。蛋白质是细胞内这个功能性组织的业务端。它们可以是结构性的,允许构建各种细胞结构,或者它们可以参与各种分子功能,通常以酶的形式。酶是具有特殊功能的催化剂,因为它们需要特定的底物来作用。在真菌病原体中,攻击宿主植物的酶通常能够消化细胞壁成分,或有助于毒力,即抑制宿主防御机制,或产生毒素。因此,识别编码这些酶的基因将有助于更好地理解病原体使用的攻击模式。

功能基因组学研究将允许对这些基因的功能进行实验性鉴定。萨洛夫·叶夫根尼/Shutterstock.com

通过将这种病原体的基因编码与以前从其他真菌中鉴定出的基因进行比较,Islam博士和他的同事们发现,这种真菌中13%的基因Macrophomina phaseolina编码的分泌酶;该百分比大于其他真菌病原体的百分比。此外,他们还发现编码产生和利用次级代谢物的酶的大量基因(不需要生长和发育所需的化合物,而是在不同环境中存活)。这揭示了这种猖獗的病原体可以攻击多个宿主植物的可能独特机制。还鉴定了编码碳水化合物降解酶的许多基因,高于任何其他真菌植物病原体的基因。编码转运蛋白的基因(为动员植物资源进行真菌营养)和解毒酶;后者需要解毒在防御过程中由植物产生的有毒化学品。作者还鉴定了这种功能使真菌能够耐受酸性,碱性和盐水环境的基因,从而解释其在极端条件下存活的能力。

通过破译最具破坏性的植物病原体之一的真菌基因组,该团队为破译真菌感染多种植物的机制奠定了基础。

生存的工具
通过对最具破坏性的植物病原体之一的真菌基因组进行解码,该研究小组奠定了解释真菌侵染范围广泛的植物的机制的基础。功能基因组学研究将有助于从实验上鉴定这些基因在植物致病性中的功能。考虑到黄麻基因组最近也已测序,科学家现在可以利用寄主和病原菌的基因组工具,以黄麻茎腐病和根腐病为目标。通过了解真菌蛋白如何与植物靶蛋白相互作用,科学家可以解开未来抑制或过度表达的基因靶点,从而获得抗病植物。这将使定向育种获得抗病品种黄麻。此外,有选择地使用对病原菌生活方式有特殊作用的环境友好型杀菌剂将增加黄麻植物在田间的存活机会。

个人反应

有可能解决这种病原体的方法也能对其他真菌起作用吗?

在解码真菌基因组后,我们已经理解了真菌蛋白如何与植物靶蛋白相互作用。通过使用这种知识,我们可以轻松选择靶基因以抑制或过度表达,从而可以获得抗病植物。例如,负责导致疾病的真菌基因/ s使用宿主诱导的基因沉默(HIGS)方法将其克隆并插入宿主基因组中。在将该序列集成到宿主基因组中后,在攻击宿主后,具有该序列的真菌将无法导致疾病。还可以通过使用类似的方法来解决其他真菌。

针对真菌或宿主植物是否更好,以增加无疾病情况的机会?

最好是以寄主植物为目标,而不是以真菌为目标,以增加无病的机会。现代的植物病害控制方法依赖于转基因植物的生产,而转基因植物对植物病害的抗性更强。这种方法更有利,因为它对环境更友好,对人和动物更健康。

真菌在植物类型、感染部位和器官或组织的年龄方面各不相同。有些生长在根、茎、叶、水果或蔬菜、韧皮部或木质部上。因此,很难针对特定的病原体开发出完全无病原体的植物。此外,环境变化,包括物种向新环境的引入,可以引起宿主转移、种间真菌杂交或有利于病原体的侧向基因转移,从而改变或建立病原体的致病性。众所周知,所有的生物都在维持环境的平衡中发挥着作用。因此,最好培育抗病植物。

这篇特写文章是经过研究团队的批准创建的特写。这是一个协作产品,由那些特色援助免费,全球发行。

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