Leptosphaeria maculans ( анаморф Phoma lingam ) — грибковый патоген типа Ascomycota, который является возбудителем болезни черной ножки на культурах Brassica . Его геном секвенирован [2] и L. maculans является хорошо изученным модельным фитопатогенным грибом. Симптомы черной ножки обычно включают язвы у основания стебля, небольшие серые пятна на листьях и корневую гниль. Основная потеря урожая происходит из-за язвы стебля . Гриб распространяется ветром в виде аскоспор или дождевых брызг, в случае конидий. L. maculans лучше всего растет во влажных условиях и в диапазоне температур 5–20 градусов Цельсия. Севооборот, удаление стерни, применение фунгицидов и устойчивость сельскохозяйственных культур – все это используется для борьбы с черной ножкой. Гриб является важным патогеном сельскохозяйственных культур Brassica napus ( рапса ).
Leptosphaeria maculans вызывает язву стебля фомы или черную ножку. Симптомы обычно включают язвы у основания стебля, небольшие серые овальные поражения на ткани листьев и корневую гниль (поскольку грибок может напрямую проникать в корни). [3] L. maculans заражает широкий спектр культур Brassica , включая капусту ( Brassica oleracea ) и рапс ( Brassica napus ). L. maculans особенно вирулентна для Brassica napus . Первая драматическая эпидемия L. maculans произошла в Висконсине на капусте. [4] Заболевание диагностируется по наличию небольших черных пикнид, возникающих по краям пораженных участков листьев. Наличие этих пикнид позволяет отличить это заболевание от Alternaria Brassicae , другого лиственного возбудителя с аналогичными поражениями, но без пикнид. [5]
Leptosphaeria maculans имеет сложный жизненный цикл. Возбудитель начинается как сапрофит на остатках стебля и выживает в стерне. Затем начинается гемибиотрофная стадия, приводящая к образованию пятен на листьях. Системно колонизируя ткань растения [6] , он начинает свою эндофитную стадию внутри стебля. (Из-за системного паразитизма количественная оценка воздействия L. maculans не может включать размер или количество поражений .) [6] Когда вегетационный период заканчивается, гриб вызывает язвы у основания растения, тем самым начиная новую некротрофную стадию.
Leptosphaeria maculans имеет как фазу телеоморфа (половое размножение с образованием псевдотеций, выделяющих аскоспоры), так и фазу анаморфа (бесполое размножение с образованием пикнид, выделяющих пикнидиоспоры). Заболевание распространяется путем переноса аскоспор ветром и попадания конидий под дождь. Кроме того, язва стебля фомы также может распространяться через зараженные семена, когда гриб 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 переноса по воздуху аскоспор, которые весной высвобождаются из псевдотеций. Аскоспоры проникают через устьица и заражают растение. Вскоре после заражения на листьях образуются серые пятна и черные пикниды.
В течение вегетационного периода эти пикниды образуют конидии, которые разносятся брызгами дождя. Эти споры вызывают вторичную инфекцию, которая обычно менее серьезна, чем первичная инфекция аскоспорами. Язвы на стебле образуются в результате системного распространения болезни по растению. После колонизации межклеточных пространств гриб достигает сосудистой нити и распространяется по стеблю между листом и стеблем. Заболевание распространяется как внутри, так и между клетками ксилемы. Эта колонизация приводит к инвазии и разрушению коры стебля, что приводит к образованию язвы стебля. [7]
Стебель 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 аскоспоры, и цикл повторяется.
AvrLm3 — это ген, который производит эффектор, распознаваемыйRlm3, и 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 Цельсия – оптимальный температурный диапазон для созревания псевдотеции. [10] Влажная влажная среда увеличивает тяжесть заболевания из-за распространения конидий брызгами дождя. Помимо дождя, град также увеличивает тяжесть заболевания.
Агротехнические методы, такие как удаление стерни и севооборот, могут быть очень эффективными. Благодаря удалению стерни перезимовавшие псевдотеции и мицелий становятся менее распространенными, что снижает риск заражения. В Канаде севооборот резко снижает вероятность возникновения черной ножки у посевов рапса. [11] Предлагается установить трехлетний севооборот рапса и между этими периодами сажать растения, не являющиеся хозяевами, такие как зерновые. [12] Химические методы, такие как применение фунгицидов, могут снизить заболеваемость. Обычно используются фунгициды EBI и MBC. Фунгициды EBI ингибируют биосинтез эргостерола, тогда как фунгициды MBC нарушают сборку бета-тубулина в митозе. EBI — лучший вариант борьбы с L. maculans , поскольку они подавляют рост конидий. Хотя фунгициды, такие как EBI, эффективны против конидий, они не влияют на аскоспоры, которые будут расти независимо от концентрации фунгицида. [13] Методы сопротивления также могут принести большой эффект. Обычно для устойчивости (Rlm1-Rlm9) в культурах Brassica napus используются расоспецифичные гены Rlm . [14]
Leptosphaeria maculans контролируется как расоспецифической устойчивостью ген к гену посредством так называемых генов устойчивости (R), обнаруживающих соответствующие гены авирулентности (Avr), так и количественными, широкими признаками устойчивости . Поскольку L. maculans секвенирован [2] и ввиду важности этого патогена, было идентифицировано и клонировано множество различных генов Avr.
Arabidopsis thaliana — широко используемый в науках о растениях модельный организм , тесно связанный с Brassica . Интересно, что этот модельный организм демонстрирует очень высокую степень устойчивости к L. maculans во всех протестированных образцах (кроме An-1, который послужил источником аллели rlm3 , см. ниже) при отсутствии известных на сегодняшний день вирулентных рас, что делает этот модельный организм патосистема, близкая к нехозяинному взаимодействию. [15] Интересно, что этот высокий уровень устойчивости может быть нарушен мутацией , и некоторая устойчивость может быть передана от A. thaliana к Brassica napus - например, это линия добавления хромосом B. napus схромосомой 3 A. thaliana , более устойчивой к L. макуланы . [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 разных 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 инсерционные мутанты Т-ДНК были менее восприимчивы, чем природный аллель rlm1 , что указывает на то, что множественные гены в этом локусе могут способствовать устойчивости. [17]
В отличие от RLM1 и RLM2 , RLM3 неспецифичен для L. maculans , а мутантные аллели в этом гене вызывают широкую восприимчивость к множеству грибов. [18]
Камалексин представляет собой фитоалексин , который индуцируется независимо от RLM1 -опосредованной устойчивости, а мутанты, нарушенные в биосинтезе камалексина , демонстрируют чувствительность к L. maculans [15] , что указывает на то, что это критический механизм устойчивости.
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, чувствительны ли к L. maculans мутанты с нарушенным биосинтезом абсцизовой кислоты (АБК) или передачей сигналов . [19] Однако интересно, что SA и JA способствуют толерантности при совместимом взаимодействии, когда RLM1 и камалексин-опосредованная резистентность мутированы, а четверной мутант (где блокируются RLM1 , камалексин, JA и SA-зависимые ответы) является гиперактивным. -восприимчивый. [20] Напротив, ЭТ, по-видимому, вреден для устойчивости к болезням.
Посевы Brassica состоят из комбинаций трех основных наследственных геномов (A, B и C) , где наиболее важной культурой канолы является Brassica napus с геномом AACC. Большинство признаков устойчивости были заимствованы у B. napus от диких родственников Brassica rapa (геном AA). Напротив, у родительских видов Brassica oleracea (геном CC) признаков устойчивости L. maculans не обнаружено или их очень мало . [21] Кроме того, некоторые признаки устойчивости были интрогрессированы из геномов «B» Brassica nigra (геном BB), Brassica juncea (геном AABB) или Brassica carinata (геном BBCC) в B. napus . При взаимодействии Brassica и L. maculans известно множество расоспецифичных генов устойчивости, а также идентифицированы некоторые соответствующие гены авирулентности грибов. [14] [22] [23]
Rlm1 картирован на хромосоме A07 Brassica . [14] [23] Rlm1 будет вызывать резистентный ответ против штамма L. maculans, несущего ген авирулентности AvrLm1 . [23]
Rlm2 будет вызывать реакцию устойчивости 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 картирован на хромосоме A07 Brassica . [14] [23] Rlm3 будет вызывать резистентную реакцию против штамма L. maculans , содержащего AvrLm3 , [23] [8] [9] см. § AvrLm3 .
Rlm4 картирован на хромосоме A07 Brassica . [14] [23] Rlm4 будет вызывать резистентный ответ против штамма L. maculans, несущего ген авирулентности AvrLm4-7 . [23]
Rlm5 и RlmJ1 были обнаружены у Brassica juncea , но до сих пор неясно, находятся ли они в геномах A или B. [23]
Rlm6 обычно обнаруживается в геноме B Brassica juncea или Brassica nigra . Этот ген устойчивости был интрогрессирован в Brassica napus из горчицы Brassica juncea .
Rlm7 картирован на хромосоме A07 Brassica . [23]
Rlm8 находится в геноме A у Brassica rapa и Brassica napus , но его дальнейшее картирование еще не проводилось. [23]
Ген Rlm9 (картированный на хромосоме A07) был клонирован [25] и кодирует белок, подобный Wall-ассоциированной киназе (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 Brassica rapa и Brassica napus , но его дальнейшее картирование еще не проводилось. [23]
LepR3 был введен в австралийский сорт B. napus Surpass 400 из дикой разновидности B.rapa var. сильвестрис . Это сопротивление стало неэффективным в течение трех лет коммерческого выращивания. [26] LepR3 будет вызывать резистентный ответ 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 представляет собой рецептороподобный белок 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 ) распознают L. maculans во внеклеточном пространстве ( апопласте ).
Leptosphaeria maculans является наиболее вредоносным патогеном Brassica napus , который используется в качестве источника корма для скота и для производства рапсового масла. [27] L. maculans уничтожает около 5–20% урожаев рапса во Франции. [28] Заболевание очень важно и в Англии: с 2000 по 2002 год болезнь приводила к ущербу на сумму около 56 миллионов фунтов стерлингов за сезон. [29] Рапсовое масло является предпочтительным европейским источником масла для биотоплива из-за его высокого выхода. B. napus производит больше масла на площадь суши, чем другие источники, такие как соевые бобы. [27] Крупные потери масличных культур также произошли в Австралии. Самые последние значительные потери произошли в 2003 году из-за широко выращиваемых сортов B. napus , содержащих ген устойчивости B.rapa . [30]
L. maculans метаболизирует брассинин, важный фитоалексин, продуцируемый видами Brassica , в индол-3-карбоксальдегид и индол-3-карбоновую кислоту. Вирулентные изоляты действуют через промежуточный продукт S -оксида (3-индолилметил)дитиокарбамата [31] , тогда как авирулентные изоляты сначала превращают брассинин в N -ацетил-3-индолилметиламин и 3-индолилметиламин. [32] Исследования показали, что брассинин может играть важную роль в качестве химиопрофилактического средства при лечении рака. [33]
В качестве биоинженерной инновации в 2010 году было показано, что световой белок L. maculans может быть использован для опосредования, наряду с более ранними реагентами, многоцветного молчания нейронов в нервной системе млекопитающих. [34]