Studie analysiert „Wettrüsten“ zwischen Kartoffelpathogenen nach der großen Hungersnot in Irland

Durch die Untersuchung des genetischen Materials, das in historischen Kartoffelblättern gefunden wurde, konnten Forscher der North Carolina State University mehr über die gegenseitigen evolutionären Veränderungen herausfinden, die sowohl bei Kartoffelpflanzen als auch beim Erreger stattfanden, der in den 1840er Jahren die Große Hungersnot in Irland verursachte.

In der Studie wurde ein gezielter Ansatz zur Anreicherungssequenzierung verwendet, um in einer einzigartigen Analyse gleichzeitig sowohl die Resistenzgene der Pflanze als auch die Effektorgene des Erregers – Gene, die ihm bei der Infektion seiner Wirte helfen – zu untersuchen.

„Wir verwenden kleine Stücke alter Blätter, auf denen sich der Krankheitserreger und andere Bakterien befinden. Die DNA ist stärker fragmentiert als bei einer normalen Gewebeprobe“, sagte Allison Coomber, eine ehemalige Doktorandin der North Carolina State University und Hauptautorin der Studie.

„Wir verwenden kleine 80 Basenpaare große Brocken wie einen Magneten, um aus dieser DNA-Suppe ähnliche Stücke herauszufischen. Diese Magnete werden verwendet, um Resistenzgene des Wirts und Effektorgene des Erregers zu finden.“

„Dies ist das erste Mal, dass wir uns gleichzeitig mit Veränderungen bei Kartoffeln und Krankheitserregern befassen. Normalerweise untersuchen Forscher entweder das eine oder das andere“, sagt Jean Ristaino, William Neal Reynolds Distinguished Professor für Pflanzenpathologie an der North Carolina State University und korrespondierender Autor eines Artikels in Naturkommunikation das beschreibt die Studie.

„Die hier angewandte duale Anreicherungsstrategie ermöglichte es uns, gezielt Genombereiche beider Seiten der Wirt-Pathogen-Beziehung zu erfassen, selbst wenn Wirt und Pathogen in ungleichen Mengen vorhanden waren. Vor 15 Jahren hätten wir diese Arbeit nicht durchführen können, weil die Genome nicht sequenziert waren.“

Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass der Erreger Phytophthora infestans sehr gut gegen die Resistenz der Kartoffel gegen die Kraut- und Knollenfäule ankämpfen kann. So zeigt die Studie beispielsweise, dass der FAM-1-Stamm des Erregers in der Lage war, die Resistenz des R1-Resistenzgens der Pflanze zu überwinden – noch bevor Pflanzenzüchter es in Kartoffeln einsetzten.

„Der Erreger wäre in der Lage gewesen, diesem R1-Resistenzgen zu widerstehen, selbst wenn es schon Jahre zuvor eingesetzt worden wäre, wahrscheinlich weil er in der Wildnis einer Kartoffel mit diesem Resistenzgen ausgesetzt war“, sagte Coomber.

Die Studie zeigt auch, dass viele Effektorgene des Erregers stabil geblieben sind, obwohl es zu verschiedenen Mutationen kam, die seine Infektionskraft steigerten, als Pflanzenzüchter versuchten, Resistenzen zu züchten – insbesondere nach 1937, als in den USA und anderen Teilen der Welt strukturiertere Kartoffelzuchtprogramme begannen.

Die Studie zeigt auch, dass der Erreger zwischen 1845 und 1954, also in der Zeit, in der die für die Studie untersuchten Pflanzenproben gesammelt wurden, einen Chromosomensatz hinzufügte.

„Wir zeigen in dieser Arbeit, dass es nach 100 Jahren menschlicher Eingriffe einige Gene gibt, die sich im Erreger kaum verändert haben“, sagte Coomber. „Sie sind möglicherweise deshalb sehr stabil, weil sie nicht selektiert wurden oder weil sie für den Erreger wirklich wichtig sind. Wenn diese Gene gezielt angegriffen würden, wäre es für den Erreger wirklich schwer, eine Gegenreaktion zu entwickeln.“

„Es ist schwierig, eine effektive Pflanzenzucht durchzuführen, wenn wir nicht genug über den Erreger wissen. Jetzt, da wir wissen, welche Effektoren sich im Laufe der Zeit verändert haben, können Züchter möglicherweise stabilere Resistenzgene verwenden oder mehrere Resistenzgene aus verschiedenen Wildwirten pyramidenförmig kombinieren“, sagte Ristaino.

„Hier sehe ich die Zukunft für diese Art von Studien – in ihrer Anwendung auf langsame Veränderungen der Virulenz von Krankheitserregern oder anderer Merkmale wie der Fungizidresistenz.“