Fusarium xylarioides, en jordbåren sopp forårsaker "kaffevisnesykdom" som har en historie med å forårsake betydelige skader på kaffeavlinger. Det var utbrudd av sykdommen på 1920-tallet som ble håndtert på riktig måte. Imidlertid slo sykdommen seg sammen igjen etter hvert, noe som førte til utbrudd som forårsaket alvorlige avlingsskader. Tidligere studier hadde indikert at den forårsakende sopparten kan ha utviklet seg ved å skaffe gener fra beslektet art. En studie publisert 5. desember 2024 har bekreftet at gjenoppkomsten av utbrudd av kaffevisnesykdom skyldtes horisontale genoverføringer fra den beslektede sopparten Fusarium oxysporum til den forårsakende arten Fusarium xylarioides, noe som gjorde det mulig for den kausale sopparten å utvikle seg og skaffe seg passende egenskaper for å infisere avlingene som fører til gjenoppkomst av utbrudd og skade på kaffeplanter.
I genteknologi overføres nytt gen eller DNA kunstig inn i en organismes celle ved bruk av vektorer som plasmider eller modifiserte virus for å introdusere ny evne til en organisme.
I naturen foregår genoverføring eller overføring av genetisk informasjon ved reproduksjon vertikalt fra foreldre til avkom ned generasjoner. Dette er et vanlig trekk hos eukaryoter som gjør dem i stand til å tilegne seg variasjon for tilpasning og evolusjon. Hos prokaryoter som i bakterier overføres imidlertid genetisk materiale horisontalt (eller lateralt) mellom organismer av samme generasjon uten å involvere reproduksjon. Dette kalles horisontal genoverføring (HGT) og er den eneste måten bakterier kan tilegne seg nye gener for å tilpasse seg negativt seleksjonstrykk og utvikle seg for å overleve. Dette kan skje ved overføring av DNA fra miljøet og dets integrering i bakteriell kromosom eller plasmid (transformasjon). Gener kan også overføres horisontalt fra en bakterie til en annen ved bakterieinfiserer virus eller bakteriofager (transduksjon), eller ved direkte horisontal overføring av gener fra en donorbakteriecelle til en mottakercelle via sexpilus (konjugering).
Selv om det hovedsakelig observeres i prokaryoter, er horisontal genoverføring assosiert med eukaryoter også. Endosymbiose er kjent for å ha spilt en rolle i eukaryot evolusjon gjennom bakterie-eukaryot genoverføring. Flere tilfeller av eukaryot-eukaryot genoverføring er dokumentert.
Fenomenet horisontal genoverføring er betydelig fordi det bidrar til evolusjon. Dette er for eksempel ansvarlig for utviklingen av antibiotika-resistente/multidrug-resistente stammer av bakterier som er et stort folkehelseproblem. I landbruket har rollen til horisontal genoverføring mellom beslektede sopparter lenge vært mistenkt i gjenoppkomsten av utbrudd av kaffevisnesykdom.
Kaffeviskesykdom
Kaffe er en viktig kommersiell avling. Den globale markedsstørrelsen er estimert til å være rundt 223 milliarder dollar. Kaffeplanten tilhører slekten Coffea. Den har mange arter, men Arabica- og Robusta-arter er de mest populære og står for det meste av den globale produksjonen. Coffea arabica står for 60–80 % av verdens kaffeproduksjon, mens Coffea canephora (ofte kjent som Coffea robusta) utgjør om lag 20–40 %.
Kaffevisnesykdom er forårsaket av en jordbåren sopp Fusarium xylarioides som får tilgang gjennom røttene til avlingen for å kolonisere xylemet som bryter ned celleveggene for næringsstoffer. Det blokkerer vannopptak som fører til at plantene visner. Den relaterte soppen Fusarium oxysporum er også et jordbåren patogen som sprer seg gjennom infisert jord og er ansvarlig for visnesykdom i mange avlinger som Panama sykdom i bananer, tomat vaskulær visne etc. F. oxysporum lever av andre planter (som banan) sammen med kaffe for skygge, men deler kaffe som vert med F. xylarioides.
Siden 1920-tallet har kaffeavlingene i Afrika hatt periodiske utbrudd av visnesykdom med skadelig innvirkning på kaffe produksjon og bøndenes levebrød, spesielt i Etiopia og Sentral-Afrika. De tidligste utbruddene på 1920-tallet ble behandlet med egnede midler, men sykdommen dukket opp igjen på 2000-tallet. Gjorde den forårsakende soppen Fusarium xylarioides gjennomgå evolusjon etter de første utbruddene på 1920-tallet for å forbedre evnen til å infisere kaffeplanter, noe som fører til gjenoppkomst av utbrudd? Det var indikasjoner fra studier som F. xylarioides ervervede gener for å øke evnen til å infisere.
Historisk genomikkstudie publisert i 2021 støttet ideen om at arabica- og robusta-kaffeplantene delvis ervervet distinkte effektorgener via horisontal overføring fra F. oxysporum. Effektorgener koder for molekyler involvert i sykdomsetablering. Disse genene uttrykkes gjennom hele livssyklusen til sopp for å støtte sykdomsprosessen.
I den nylige studien publisert 5. desember 2024 utførte forskere sammenlignende genomisk analyse av 13 historiske stammer av F. oxysporum for å forstå hvordan sopp som forårsaker visnesykdom utviklet seg og tilpasset seg vertskaffeplantene. Det ble funnet at F. Xylarioides har fire distinkte avstamninger: en tilpasset arabica kaffeplanter, en tilpasset robusta kaffeplanter, og to historiske avstamninger som levde på beslektede kaffearter. Videre hadde disse stammene ervervet kritiske gener fra de beslektede F. oxysporum, som muliggjorde den sykdomsfremkallende F. xylarioides å bryte ned celleveggene til kaffeplanter for å forårsake visnesykdom. Den eukaryote-eukaryote horisontale genoverføringen fra F. oxysporum til F. xylarioides tillot førstnevnte å infisere kaffeplanter effektivt noe som gjør det mulig å gjenoppstå av kaffevisnesykdommen.
Denne forståelsen av hvordan sykdommen er forårsaket kan være nyttig for å finjustere landbrukspraksis og håndtere plantesykdommer mer effektivt.
***
Referanser:
- University of Colorado Denver. Horisontal genoverføring – aktivitetsguide. Tilgjengelig 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 genoverføring i eukaryotisk evolusjon. Nat Rev Genet 9, 605–618 (2008). https://doi.org/10.1038/nrg2386
- Peck, LD, et al. Historisk genomikk avslører de evolusjonære mekanismene bak flere utbrudd av det vertsspesifikke kaffevisnepatogenet Fusarium xylarioides. BMC Genomics 22, 404 (2021). Publisert: 04. juni 2021. DOI: https://doi.org/10.1186/s12864-021-07700-4
- Peck LD, et al. Horisontale overføringer mellom sopp-Fusarium-arter bidro til påfølgende utbrudd av kaffevisnesykdom. PLoS biologi. Publisert: 5. desember 2024. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002480
***
