Исследователи Кильского центра эволюции впервые подробно исследовали, как гриб, важный для биологической защиты растений, может передавать выгодную хромосому горизонтально, используя ранее малоизученный способ обмена генетической информацией.

Устойчивые меры защиты растений, не основанные на химических пестицидах, основаны на использовании различных организмов и биологических агентов для защиты сельскохозяйственных культур от вредителей. Такими организмами, используемыми для биологической защиты растений, являются, например, микроскопические грибы рода Metarhizium, способные атаковать и уничтожать различных насекомых-патогенов растений и используемые, например, при выращивании сахарного тростника в Южной Америке.

Молекулярные механизмы грибковой инфекции и иммунный ответ насекомых находятся в постоянном процессе взаимной эволюционной адаптации. В рамках совместного проекта с коллегами из Института науки и технологий Австрии (ISTA) исследовательская группа из Кильского университета исследовала генетические изменения гриба при заражении инвазивным аргентинским муравьем (Linepithemahumile).

Исследователи изучили геномы различных штаммов грибов Metarhizium robertsii и Metarhizium brunneum из более раннего эксперимента по коинфекции, в котором муравьи были заражены смесью грибов.

В ходе исследования вырастающие споры использовались для заражения новых муравьев в течение 10 последовательных циклов заражения. Анализируя геномы грибов из этих серий инфекций, грибной генетик и первый автор исследования доктор Михаэль Хабиг из Кильского университета сделал интересное наблюдение: его анализы показали, что одна хромосома очень часто обменивалась горизонтально между двумя разными штаммами.

Эта хромосома содержит определенные гены, которые, как подозревают ученые, могут дать грибу преимущество при заражении хозяев. Горизонтальный перенос целых хромосом редко описывался научно и сейчас впервые подробно изучен. Исследователи из Кильского центра эволюции (KEC) и ISTA опубликовали свои результаты в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

У гриба, повреждающего насекомых, обнаружен горизонтальный перенос хромосом

Ученые используют термин «горизонтальный перенос генов», чтобы описать, как живые организмы могут передавать генетический материал между разными особями, в том числе представителями других видов. Таким образом, бактерии обмениваются обширной генетической информацией, часто в виде плазмид, чтобы быстро адаптироваться к изменяющимся условиям окружающей среды или приспособиться к хозяину. На таких механизмах основана, в том числе, и быстрая эволюция различных патогенов.

«Однако у грибов и многих других так называемых эукариотических организмов горизонтальный перенос генов в виде целых хромосом встречается очень редко и на сегодняшний день почти не исследован», — говорит доктор Михаэль Хабиг, научный сотрудник Кильского университета.

«Анализ генетической информации штаммов грибов показывает, что M. robertsii независимо передавал одну хромосому в общей сложности пять раз во время экспериментов по коинфекции, но никакой другой генетической информации от одного штамма к другому путем горизонтального переноса не было», — продолжил Хабиг.

Дальнейшие анализы также показали, что та же самая хромосома может быть обнаружена и у отдаленно родственных, также повреждающих насекомых видов грибов Metarhizium guizhouense, чье общее эволюционное происхождение с M. robertsii насчитывает около 15 миллионов лет.

«Хромосома M. guizhouense значительно менее изменена, чем можно было бы предположить в течение длительного периода раздельной эволюции двух видов грибов. Таким образом, хромосома также, по-видимому, передавалась естественным путем между этими разными видами грибов – и, вероятно, горизонтально», говорит Хабиг.

Анализ хромосомы указывает на возможные преимущества выживания гриба.

Исследуемая хромосома является так называемой дополнительной хромосомой. Это означает, что он встречается не у всех особей вида и содержит несущественную генетическую информацию.

«Эксперименты показали, что при определенных условиях гриб, получивший дополнительную хромосому, имел конкурентные преимущества перед грибами того же штамма, не получившими хромосому, и мог одержать над ними верх. Мы хотим изучить детали этих преимуществ. более подробно в будущем», — говорит Хабиг.

Исследовательская группа из Киля уже смогла получить первоначальные данные на основе анализа генов хромосомы. «Хромосома содержит сотни генов, потенциальные функции которых мы сможем расшифровать только в будущем. Однако нам уже удалось идентифицировать 13 генов-кандидатов, которые предположительно могут отвечать за так называемые эффекторные белки, способные взаимодействовать с например, иммунная система насекомых», — продолжает Хабиг.

Таким образом, перенос хромосомы может иметь преимущества для гриба, функциональная основа которого до сих пор неясна. Однако одной из вероятных возможностей является передача определенных генов, которые производят ферменты, расщепляющие хитин, и, таким образом, могут улучшить способность заражать насекомых.

«Примечательно, что мы обнаружили гены трех таких ферментов, среди прочих, которые, предположительно, играют роль в деградации хитинсодержащей кутикулы насекомого-хозяина. Это может повлиять на решающий этап процесса заражения, поскольку Грибковые споры зависят от проникновения в защитный экзоскелет хозяина, чтобы заразить его», — говорит профессор Сильвия Кремер, последний автор исследования из Института науки и технологий Австрии (ISTA).

В целом, исследовательская работа предлагает новые интересные аспекты способа обмена генетической информацией, который до сих пор мало изучен у грибов.

«Наша новая работа показывает, что горизонтальный перенос хромосом регулярно происходит у грибов и что этот механизм может дать преимущества штамму-реципиенту, по крайней мере, в экспериментах при определенных условиях», — говорит Хабиг.

Таким образом, исследовательская группа из Киля и ее партнеры из ISTA впервые подробно описывают новый аспект эволюции генома грибов, который может быть способен использовать бактериоподобные механизмы быстрой эволюционной адаптации, например, для повышения их вирулентности или вред для организма-хозяина и передавать генетическую информацию через границы видов.

В будущем исследователи хотят на примере M. robertsii детально изучить взаимосвязь между горизонтальным переносом хромосом, возможными преимуществами приспособленности и взаимной адаптацией грибов и насекомых и, таким образом, получить дальнейшее представление об этом организме, что важно для защита растений.