A conserved tetrapolar mating system permits sexual hybridization and recombinant host phenotypes in wheat- and barley-adapted Puccinia striiformis
小麦および大麦に適応した*Puccinia striiformis*の間には、顕著な宿主特異性とゲノム全域にわたる分化が存在するが、代替宿主である*Berberis vulgaris*における保存された四極性配偶様式が、新規かつ組換えされた宿主相互作用プロファイルを持つ生存可能な後代を生み出す性的ハイブリダイゼーションを可能にしている。
原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。 免責事項の全文を読む
農作物を感染させる真菌は、しばしば単一の種類の植物に特化しており、小麦や大麦を攻撃する専門家へと進化する一方で、もう一方の植物では生存できないようになります。この特化は障壁として機能し、異なる真菌の集団を分離させ、それらの遺伝子が混ざり合うのを防ぎます。しかし、これらの植物病原体の多くは、穀物畑からは遠く離れた場所にある低木や樹木といった、全く異なる種類の植物の上で行われる隠れた有性生殖のライフサイクルを持っています。この代替宿主の上で、真菌は交配し、子孫を生み出すことができます。科学者たちは、畑で見られる厳格な特化が非常に深く、共有された低木の上で出会ったとしても、これらの真菌が交配することを防いでいるのではないかと長年疑問に思ってきました。もし障壁が十分に強ければ、これら二つのグループは生存可能な子孫を生み出すことができず、事実上、別々の種となります。もし障ellが弱ければ、それらは混じり合い、以前は触れることのできなかった作物に感染できるような、新しい形質の組み合わせを作り出す可能性があります。
最近の研究において、研究者たちは、二つの近縁でありながら宿主に特化した二つの形態を持つ、条線さび病菌を用いて、この可能性を検証することを目的としました。一方は小麦条線さび病として知られ、小麦には感染しますが大麦には感染しません。もう一方は大麦条線さび病であり、大麦には感染しますが小麦には感染しません。畑における彼らの習慣は異なっているものの、両方の形態は、有性的に繁殖するための共通の場所として、メギという共通の低木を利用しています。研究者たちは、これら二つの異なる真菌の形態を、制御された実験下でメギの植物の上で対面させ、それらが交配できるかどうかを調べました。その結果、異なる作物に特化したこれら二つの形態は、実際に交配が可能であることが分かりました。交配の結果、18の生存可能な子孫が得られ、これら二つの間の遺伝的障壁は完全ではないことが証明されました。この発見は、これらの真菌が畑では異なって見え、振る舞うものの、機会さえあれば遺伝子を混ぜ合わせることができる生物学的な仕組みを保持していることを示しているため、重要です。
研究者たちは、この交配がどのように機能しているかを理解するために、これらの新しい子孫の遺伝的構成を調査しました。彼らは、真菌が、異なる染色体上に位置する二つの独立した遺伝的スイッチを含む、特定のシステムを用いて適合性を決定していることを発見しました。交配が起こるためには、パートナーがこれらのスイッチの異なるバージョンを持っている必要があります。研究は、小麦に適応した形態と大麦に適応した形態の両方の親が、これら二つのスイッチの適合するバージョンを持っており、それによって融合し繁殖できることを確認しました。さらに、子孫は両親からこれらのスイッチを混合して受け継ぎ、その結果、4つの異なる遺伝的組み合わせが生じました。このパターンは、遺伝子が両親からシャッフルされ、次の世代へと受け継がれるという、有性生殖の予想される規則に従っていることを裏付けました。
おそらく最も衝撃的な結果は、これらの新しいハイブリッド真菌を小麦や大麦に対してテストした時に起こりました。元の親たちは厳格なスペシャリストでした。すなわち、小麦型の菌は大麦に感染できず、大麦型の菌は小麦に感染できませんでした。しかし、子孫は新しい種類の振る舞いを示しました。ハイブリッドの中には、両方の親が持っていなかった特性である「小麦と大麦の両方に感染できる」ものもいました。また、親が感染できなかった小麦や大麦の特定の品種の組み合わせに感染できるものもありました。これは、二つの特化した親の遺伝物質を組み合わせることによって、真菌が植物の防御を打破する新しい能力を生み出せることを示唆しています。研究では、ハイブリッドがすべての植物に対して超強力な感染力を持つようになったとはされていませんが、むしろ、特定の作物の品種に対して感染する能力を持つなど、新しい能力の範囲を示しました。
この研究は、これら二つの真菌グループの間の分離が絶対的なものではないことを示しています。彼らは異なる作物への特化を進化させてきましたが、共有の性的宿主の上で出会った際に、互いを交配相手として認識したり、健康な子孫を生み出したりする能力を失ったわけではありません。研究者たちは、この性的な混合が、宿主植物との相互作用を変える新しい遺伝的組み合わせを生み出す可能性があることを示しました。作物保護の観脈において、これは、新しい真菌の脅威の進化が、必ずしも単一のグループ内での緩やかで漸進的な変化からのみ来るのではないことを意味します。むしろ、野生の宿主の上で異なる特化したグループが時折出会うことで、以前は到達できなかった作物に感染できるハイブリッドが突如として誕生する可能性があるのです。この研究は、宿主への特化と有性的な混合能力が共存し得ること、そして、新しい菌株の出現への扉を開き続けていることを示す直接的な証拠を提供しています。
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