Генетики выяснили происхождение новой болезни пшеницы

На примере появляющихся на наших глазах новых болезней можно наблюдать механизм эволюционной гонки вооружений в действии. Японские и американские генетики расшифровали один из этапов этого бесконечного процесса, изучая паразитический гриб Pyricularia oryzae, который вызывает опасное заболевание (пирикуляриоз) у риса и многих других злаков. Для пшеницы этот паразит был неопасен вплоть до 1985 года, когда пирикуляриоз пшеницы впервые был зарегистрирован на юге Бразилии. В дальнейшем болезнь широко распространилась по Южной Америке, а в 2016 году проникла в Азию. Ключевую роль в появлении новой болезни сыграло то обстоятельство, что c 1980 года в Бразилии стали выращивать высокопродуктивный сорт пшеницы «анауак», у которого, как оказалось, нет защитного белка RWT3, с помощью которого пшеница распознает белок PWT3 паразита. Паразит не упустил счастливого случая: сразу же заразил незащищенный сорт (перейдя на него с других злаков) и быстро приспособился к жизни в новом хозяине. Освоившись и став эффективным паразитом пшеницы сорта «анауак», паразитический гриб вскоре перешел на другие, защищенные сорта, для чего ему достаточно было избавиться от белка PWT3.

Между растениями и их паразитами – фитопатогенными грибами – идет нескончаемая эволюционная гонка вооружений. Паразиты постоянно модифицируют свой арсенал белков, помогающих преодолевать иммунную защиту хозяев (такие белки называют эффекторными). Растения, со своей стороны, совершенствуют средства защиты, среди которых почетное место занимают белки NLR (Nucleotide‑binding and Leucine‑rich Repeat resistance proteins), специализирующиеся на распознавании вражеских эффекторов.

От набора эффекторов и защитных белков зависит, сумеет ли данный паразит заразить данное растение. Гонка вооружений наглядно проявляется в том, что все эти белки очень быстро эволюционируют (например, NLR – самое быстро эволюционирующее семейство белков у растений), а также в том, что каждый паразит в каждый момент эволюционного времени способен пробить защиту лишь ограниченного круга хозяев (нельзя ведь угнаться за множеством зайцев, бегущих в разные стороны). Если эффектор А распознается защитным белком Б, то паразит, у которого есть А, не может заразить растение, у которого есть Б. В такой ситуации ген А называют геном авирулентности. Это, конечно, не значит, что паразит специально обзавелся геном А, чтобы не иметь возможности заразить данное растение. Однако это значит, что у паразита действительно есть ген, препятствующий заражению. Очевидно, ген А нужен паразиту для чего‑то иного – например, чтобы заражать какое‑то другое растение.

Переходы паразитов на новых хозяев происходят не так уж часто, а когда происходят – могут приводить к видообразованию (см. Исследование № 33). Впрочем, с практической точки зрения куда важнее, что такие переходы могут приводить и к внезапному появлению новых опасных заболеваний.

Именно это и произошло, когда фитопатогенный гриб Pyricularia oryzae освоил пшеницу в качестве нового хозяина. Этот гриб известен как возбудитель пирикуляриоза риса, но разные его штаммы (или виды – P. oryzae иногда рассматривается как комплекс из множества близких видов) поражают и многие другие злаки, как культурные, так и дикие. Для пшеницы этот паразит был неопасен до самого недавнего времени.

В 1985 году на юге Бразилии, в штате Парана, были зарегистрированы первые случаи пирикуляриоза пшеницы. В последующие годы новое заболевание распространилось на другие районы Бразилии и соседние страны. Поначалу болезнь не вызывала серьезных потерь урожая, но в 1996 году случилась эпидемия в Боливии, в 2002‑м – в Парагвае, в 2007‑м – в Аргентине. Эти эпидемии уничтожили до 70–80 % урожая в районах распространения болезни. Поэтому кое‑где в Южной Америке фермеры даже стали отказываться от выращивания пшеницы. Наконец, в 2016 году пирикуляриоз пшеницы вышел за пределы Южной Америки, поразив посевы в Бангладеш на площади 15 000 га. Зараженные поля были спешно сожжены, но специалисты опасаются, что дело идет к пандемии.

Генетический анализ подтвердил, что штамм, вызвавший вспышку заболевания в Бангладеш, был занесен из Южной Америки. Для него даже предложили собственное видовое название – Pyricularia graminis‑tritici, хотя пока неясно, станет ли оно общепринятым. Может быть, специалисты продолжат рассматривать этого паразита как одну из линий P. oryzae, что по большому счету дело вкуса. Мы далее будем называть его пшеничной разновидностью P. oryzae.

Ближайшими родственниками пшеничной разновидности являются штаммы, паразитирующие на овсе и плевеле. Генетический анализ выявил у этих штаммов два гена авирулентности, присутствие которых не позволяет им заражать пшеницу: pwt 3 и pwt 4. У пшеницы нашлись соответствующие защитные гены, rwt 3 и rwt 4, которые отвечают за распознавание эффекторов PWT3 и PWT4. Большая часть выращиваемой на планете пшеницы имеет эти гены в рабочем состоянии, однако есть и сорта, у которых один или оба гена отсутствуют или выведены из строя мутациями.

В 2017 году японские и американские генетики выяснили, какие генетические изменения позволили грибу P. oryzae приспособиться к новому хозяину – пшенице (Inoue et al., 2017).

Логично было предположить, что у пшеничной разновидности P. oryzae оба гена авирулентности утрачены или испорчены. Это предположение подтвердилось. Секвенирование показало, что ген pwt 4, ранее обнаруженный у штаммов из овса, у других разновидностей P. oryzae, включая пшеничную, либо отсутствует, либо выведен из строя мутациями. Второй ген, pwt 3, у большинства штаммов находится в рабочем состоянии, но у разных представителей пшеничной разновидности он тем или иным способом поврежден: у кого‑то в этот ген встроился один или несколько мобильных элементов, у кого‑то заменилось несколько нуклеотидов в кодирующей части, у кого‑то потерялся кусок регуляторной части.

Чтобы убедиться, что наличие или отсутствие работающих версий генов pwt 3 и pwt 4 действительно определяет способность или неспособность гриба паразитировать на пшенице, исследователи заражали разными штаммами P. oryzae (пшеничными, овсяными и плевельными) с разными наборами эффекторов четыре сорта пшеницы с разными наборами защитных генов. Эти опыты четко показали, что защищенность пшеницы от паразитического гриба обеспечивается попарными взаимодействиями эффекторов паразита и защитных белков растения. Так, пшеничные штаммы гриба, у которых нет ни белка PWT3, ни PWT4, заражают все сорта пшеницы. Овсяный штамм, имеющий оба эффектора, способен заразить только пшеницу, лишенную обоих защитных генов (rwt 3 и rwt 4). Плевельный штамм, у которого есть PWT3, но нет PWT4, заражает те сорта пшеницы, у которых нет rwt 3.

Также выяснилось, что искусственное добавление в геном пшеничного штамма генов pwt 3 или pwt 4, позаимствованных у овсяного штамма, лишает гриб способности заражать пшеницу, имеющую гены rwt 3 или rwt 4 соответственно. А искусственное отключение генов pwt 3 и pwt 4 у овсяных и плевельных штаммов делает эти штаммы опасными для соответствующих сортов пшеницы.

Таким образом, для того чтобы обрести способность заражать любые сорта пшеницы, грибу нужно избавиться от генов pwt 3 и pwt 4. Причем у непосредственного предка пшеничной разновидности (почти наверняка это был штамм, паразитирующий на плевеле) ген pwt 4 уже выведен из строя, как и у всех прочих исследованных штаммов P. oryzae, кроме овсяного. Стало быть, оставался только один ген, требующий отключения, – pwt 3. Разумеется, если речь идет о сорте пшеницы, лишенном гена rwt 3, то гриб мог заразить его и так, без предварительной подготовки.

Проанализировав коллекции штаммов P. oryzae, собранные в разные годы в разных районах, а также проверив наличие защитных генов rwt 3 и rwt 4 у разных сортов пшеницы по всему миру, ученые в общих чертах восстановили последовательность событий, которые привели к появлению новой болезни пшеницы.

Все началось с того, что в 1980 году в Бразилии стали активно выращивать новый высокопродуктивный полукарликовый сорт пшеницы «анауак», который был рекомендован фермерам как исключительно хорошо подходящий для местных почв. Этот сорт не имеет защитного гена rwt 3, но тогда никто не знал даже о существовании такого гена, а уж тем более о его функции и возможных эволюционных последствиях его отсутствия.

Широкое распространение незащищенной пшеницы на бразильских полях позволило каким‑то штаммам P. oryzae перейти на эту пшеницу с плевела. После краткого (занявшего всего несколько лет) периода адаптации паразита к новому хозяину отбор начал поддерживать у пшеничных штаммов мутации, нарушающие работу гена pwt 3. Для гриба, уже освоившегося в пшенице, такие мутации были полезны, поскольку позволяли заражать не только сорт «анауак», но и другие, защищенные сорта, растущие поблизости.

В результате к концу 1980‑х – началу 1990‑х годов в Южной Америке на пшенице паразитировали грибы P. oryzae с несколькими вариантами поломок в гене pwt 3. Кроме того, сохранялся исходный вариант с исправным геном, который по‑прежнему мог паразитировать только на «анауаке». В дальнейшем особенно широко распространился один из вариантов испорченного гена – видимо, принадлежащий самому вирулентному (то есть заразному для пшеницы) штамму паразита. Именно он в 2016 году проник в Бангладеш.

Таким образом, массовое выращивание пшеницы, лишенной защитного гена rwt 3, стало своеобразным трамплином, позволившим паразитическому грибу перепрыгнуть на нового хозяина. Ученые рекомендуют в будущем избегать выращивания сортов пшеницы с обедненным репертуаром защитных генов, чтобы снизить вероятность появления новых патогенов и не дать другим штаммам P. oryzae перейти на пшеницу.

Заметим, что сорт «анауак» был выведен обычной селекцией, без всякой генной инженерии и уж конечно с самыми лучшими намерениями, в ходе так называемой Зеленой революции, позволившей накормить миллионы людей. Хочется верить, что из этого случая никто не сделает вывод, будто надо запретить селекцию и перейти всем на питание «натуральными» дикими растениями. Лучше бы из этого сделали вывод, что надо быстрее развивать генетику и генную инженерию – и сделать процесс создания новых сортов более аккуратным и безопасным.

Исследование № 35