Leptosphaeria maculans ( анаморф Phoma lingam ) — грибковый патоген типа Ascomycota, который является возбудителем черной ножки на культурах Brassica . Его геном был секвенирован [2] , и L. maculans — хорошо изученный модельный фитопатогенный гриб. Симптомы черной ножки обычно включают базальные стеблевые язвы, небольшие серые поражения на листьях и корневую гниль. Основная потеря урожая происходит из-за стеблевого рака . Грибок распространяется ветром в виде аскоспор или брызг дождя в случае конидий. L. maculans лучше всего растет во влажных условиях и диапазоне температур от 5 до 20 градусов по Цельсию. Для борьбы с черной ножкой используются севооборот, удаление стерни, применение фунгицида и устойчивость культур. Грибок является важным патогеном культур Brassica napus ( рапс ).
Leptosphaeria maculans вызывает фомозный рак стебля или черную ножку. Симптомы обычно включают базальные раки стебля, небольшие серые овальные поражения на ткани листьев и корневую гниль (поскольку гриб может напрямую проникать в корни). [3] L. maculans поражает широкий спектр культур Brassica, включая капусту ( Brassica oleracea ) и рапс ( Brassica napus ). L. maculans особенно опасен для Brassica napus . Первая драматическая эпидемия L. maculans произошла в Висконсине на капусте. [4] Заболевание диагностируется по наличию небольших черных пикнид, которые появляются по краю поражений листьев. Наличие этих пикнид позволяет отличить это заболевание от Alternaria brassicae , другого патогена листьев с похожими поражениями, но без пикнид. [5]
Leptosphaeria maculans имеет сложный жизненный цикл. Патоген начинает как сапрофит на остатках стебля и выживает в стерне. Затем он переходит в гемибиотрофную стадию, которая приводит к образованию пятен на листьях. Колонизируя растительную ткань системно, [6] он начинает свою эндофитную стадию внутри стебля. (Из-за его системного паразитизма количественная оценка воздействия L. maculans не может включать размер или количество поражений .) [6] Когда вегетационный период заканчивается, грибок вызывает язвы у основания растения, тем самым начиная другую некротрофную стадию.
Leptosphaeria maculans имеет как телеоморфную фазу (половое размножение с образованием псевдотециев, которые высвобождают аскоспоры), так и анаморфную фазу (бесполое размножение с образованием пикнид, которые высвобождают пикнидиоспоры). Заболевание распространяется ветром, разносящим аскоспоры, и брызгами дождя с конидиями. Кроме того, фомоз также может распространяться инфицированными семенами, когда грибок заражает семенные коробочки Brassica napus в течение вегетационного периода, но это происходит гораздо реже. [5] Заболевание носит полициклический характер, хотя конидии не так вирулентны, как аскоспоры. Цикл заболевания начинается с переносимых по воздуху аскоспор, которые высвобождаются из псевдотециев весной. Аскоспоры проникают через устьица и заражают растение. Вскоре после заражения на листьях образуются серые поражения и черные пикниды.
В течение вегетационного периода эти пикниды производят конидии, которые распространяются брызгами дождя. Эти споры вызывают вторичную инфекцию, которая обычно менее серьезна, чем первичная инфекция аскоспорами. Стеблевые язвы образуются из-за болезни, системно распространяющейся по растению. После колонизации межклеточных пространств грибок достигает сосудистого тяжа и распространяется по стеблю между листом и стеблем. Болезнь распространяется как в клетки ксилемы, так и между ними. Эта колонизация приводит к вторжению и разрушению коры стебля, что приводит к образованию стебельного язвы. [7]
Стерня образуется после вегетационного периода из-за остатков растительного материала, оставшихся на поле после сбора урожая. Болезнь зимует в виде псевдотеций и мицелия в стерне. Весной псевдотеции выпускают свои аскоспоры, и цикл повторяется.
AvrLm3 — это ген, который производит эффектор, распознаваемыйRlm3, в этом случае этоген авирулентности,[8][9]см. § Rlm3.
Температура и влажность являются двумя наиболее важными условиями окружающей среды для развития спор L. maculans . Температура 5-20 градусов по Цельсию является оптимальным температурным диапазоном для созревания псевдотециев. [10] Влажная влажная среда увеличивает тяжесть заболевания из-за распространения конидий брызгами дождя. Наряду с дождем, град также увеличивает тяжесть заболевания.
Агротехнические методы, такие как удаление стерни и севооборот, могут быть очень эффективными. При удалении стерни зимующие псевдотеции и мицелий менее распространены, что снижает риск заражения. В Канаде севооборот значительно снижает черную ножку у рапса. [11] Предлагается использовать 3-летний севооборот рапса и сажать нехозяевные растения, такие как злаки, между этими периодами. [12] Химические методы, такие как применение фунгицидов, могут снизить случаи заболевания. Обычно используются фунгициды EBI и MBC. Фунгициды EBI подавляют биосинтез эргостерола, тогда как фунгициды MBC нарушают сборку бета-тубулина в митозе. EBI являются наилучшим вариантом для контроля L. maculans , поскольку они подавляют рост конидий. Хотя фунгициды, такие как EBI, эффективны против конидий, они не действуют на аскоспоры, которые будут расти независимо от концентрации фунгицида. [13] Методы устойчивости также могут быть использованы с большим эффектом. Обычно гены Rlm, специфичные для расы, используются для обеспечения устойчивости (Rlm1-Rlm9) в культурах Brassica napus . [14]
Leptosphaeria maculans контролируется как расоспецифической ген-генной устойчивостью через так называемые гены устойчивости (R), определяющие соответствующие гены авирулентности (Avr), так и количественными, широкими признаками устойчивости . С тех пор как L. maculans был секвенирован [2] и в связи с важностью этого патогена, было идентифицировано и клонировано много различных генов Avr.
Arabidopsis thaliana — это часто используемый модельный организм в науках о растениях, который тесно связан с Brassica . Интересно, что этот модельный организм демонстрирует очень высокую степень устойчивости к L. maculans во всех протестированных образцах (за исключением An-1, который предоставил источник для аллеля rlm3 , см. ниже) без известных на сегодняшний день вирулентных рас, что делает эту патосистему близкой к взаимодействию без хозяина. [15] Интересно, что этот высокий уровень устойчивости может быть нарушен мутацией , и некоторая устойчивость может быть передана от A. thaliana к Brassica napus — например,линия с добавлением хромосомы B. napus с хромосомой 3 A. thaliana более устойчива к L. maculans . [16]
Несмотря на то, что все образцы A. thaliana были устойчивы к L. maculans , было обнаружено, что эта устойчивость может регулироваться различными локусами . При скрещивании различных образцов были обнаружены два локуса: RLM1 на хромосоме 1 и RLM2 на хромосоме 4. Ген R, ответственный за устойчивость к RLM1, был идентифицирован как ген R семейства TIR - NB-LRR , но мутанты со вставкой T-ДНК были менее восприимчивы, чем естественный аллель rlm1 , что указывает на то, что множественные гены в локусе могут способствовать устойчивости. [17]
В отличие от RLM1 и RLM2 , RLM3 не является специфическим для L. maculans , а мутантные аллели в этом гене вызывают широкую восприимчивость к нескольким грибкам. [18]
Камалексин — это фитоалексин , который индуцируется независимо от резистентности, опосредованной RLM1 , а мутанты, у которых нарушен биосинтез камалексина, проявляют восприимчивость к L. maculans [15] , что указывает на то, что это критический механизм резистентности.
Мутанты в передаче сигналов и биосинтезе традиционных гормонов устойчивости растений к болезням салициловой кислоты (SA), жасмоновой кислоты (JA) и этилена (ET) не нарушают устойчивость A. thaliana к L. maculans . [15] С другой стороны, являются ли мутанты с нарушенным биосинтезом абсцизовой кислоты (ABA) или сигнализацией восприимчивыми к L. maculans . [19] Интересно, однако, способствуют ли SA и JA толерантности в совместимом взаимодействии, где резистентности, опосредованные RLM1 и камалексином, были мутированы, а четверной мутант (где заблокированы ответы, зависимые от RLM1 , камалексина, JA и SA) является гипервосприимчивым. [20] Напротив, ET, по-видимому, пагубно влияет на устойчивость к болезням.
Культуры Brassica состоят из комбинаций 3 основных предковых геномов (A, B и C), где наиболее важной культурой рапса является Brassica napus с геномом AACC. Большинство признаков устойчивости были интрогрессированы в B. napus от диких родственников Brassica rapa (геном AA). Напротив, ни одного или очень мало признаков устойчивости L. maculans можно найти в родительских видах Brassica oleracea (геном CC). [21] Кроме того, некоторые признаки устойчивости были интрогрессированы из геномов «B» от Brassica nigra (геном BB), Brassica juncea (геном AABB) или Brassica carinata (геном BBCC) в B. napus . Во взаимодействиях Brassica - L. maculans известно много расоспецифичных генов устойчивости, а также были идентифицированы некоторые из соответствующих генов грибковой авирулентности. [14] [22] [23]
Rlm1 был сопоставлен с хромосомой Brassica A07. [14] [23] Rlm1 вызовет реакцию резистентности против штамма L. maculans, несущего ген авирулентности AvrLm1 . [23]
Rlm2 вызовет реакцию резистентности против штамма L. maculans , несущего ген авирулентности AvrLm2 . [23] Rlm2 расположен на хромосоме A10 в том же локусе, что и LepR3 , и был клонирован. [24] Ген Rlm2 кодирует рецептороподобный белок с трансмембранным доменом и внеклеточными повторами, богатыми лейцином .
Rlm3 был сопоставлен с хромосомой Brassica A07. [14] [23] Rlm3 вызовет реакцию резистентности против штамма L. maculans , содержащего AvrLm3 , [23] [8] [9] см. § AvrLm3 .
Rlm4 был сопоставлен с хромосомой Brassica A07. [14] [23] Rlm4 вызовет реакцию резистентности против штамма L. maculans, несущего ген авирулентности AvrLm4-7 . [23]
Rlm5 и RlmJ1 были обнаружены в Brassica juncea , но до сих пор неясно, находятся ли они в геномах A или B. [23]
Rlm6 обычно находится в геноме B у Brassica juncea или Brassica nigra . Этот ген устойчивости был интрогрессирован в Brassica napus из горчицы Brassica juncea .
Rlm7 был сопоставлен с хромосомой Brassica A07. [23]
Rlm8 находится в геноме A у Brassica rapa и Brassica napus , но он еще не был подробно картирован. [23]
Ген Rlm9 (картированный на хромосоме A07) был клонирован [25] и кодирует белок, подобный киназе Wall-associated (WAKL). Rlm9 реагирует на ген авирулентности AvrLm5-9.
Как и Rlm6 , Rlm10 присутствует в геноме B Brassica juncea или Brassica nigra , но он еще не интрогрессирован в Brassica napus .
Rlm11 находится в геноме A у Brassica rapa и Brassica napus , но его дальнейшее картирование еще не проводилось. [23]
LepR3 был введен в австралийский сорт B. napus Surpass 400 из дикого B. rapa var. sylvestris . Эта устойчивость стала неэффективной в течение трех лет коммерческого выращивания. [26] LepR3 вызовет реакцию устойчивости против штамма L. maculans, несущего ген авирулентности AvrLm1 . [23] LepR3 расположен в том же локусе, что и Rlm2 , и этот ген также был клонирован. Как и аллель Rlm2 , кодируемый белок LepR3 является рецептороподобным белком с трансмембранным доменом и внеклеточными повторами, богатыми лейцином . [24] Предсказанная структура белка указывает на то, что гены LepR3 и Rlm2 R (в отличие от внутриклеточного гена RLM1 R Arabidopsis ) чувствуют L. maculans во внеклеточном пространстве ( апопласте ).
Leptosphaeria maculans является наиболее вредоносным патогеном Brassica napus , который используется в качестве источника корма для скота и для получения рапсового масла. [27] L. maculans уничтожает около 5–20% урожая канолы во Франции. [28] Болезнь также очень важна в Англии: с 2000 по 2002 год болезнь наносила ущерб примерно на 56 миллионов фунтов стерлингов за сезон. [29] Рапсовое масло является предпочтительным источником масла в Европе для биотоплива из-за его высокой урожайности. B. napus производит больше масла на единицу площади, чем другие источники, такие как соевые бобы. [27] Основные потери масличных культур также произошли в Австралии. Самые последние значительные потери были в 2003 году из-за широко распространенных сортов B. napus , содержащих ген устойчивости от B. rapa . [30]
L. maculans метаболизирует брассинин, важный фитоалексин , вырабатываемый видами Brassica , в индол-3-карбоксальдегид и индол-3-карбоновую кислоту. Вирулентные изоляты проходят через промежуточный S -оксид (3-индолилметил)дитиокарбамат, [31] в то время как авирулентные изоляты сначала преобразуют брассинин в N -ацетил-3-индолилметиламин и 3-индолилметиламин. [32] Исследования показали, что брассинин может быть важным в качестве химиопрофилактического средства при лечении рака. [33]
В качестве биоинженерной инновации в 2010 году было показано, что белок L. maculans, активируемый светом , может быть использован для опосредования, наряду с более ранними реагентами, многоцветного подавления нейронов в нервной системе млекопитающих. [34]