A conserved tetrapolar mating system permits sexual hybridization and recombinant host phenotypes in wheat- and barley-adapted Puccinia striiformis
밀과 보리에 적응한 *Pucceria striiformis* 사이의 상당한 숙주 특이성과 전유전체 수준의 분화에도 불구하고, 중간 숙주인 *Berberis vulgaris*에서 나타나는 보존된 사극성 교배 체계는 새로운 재조합 숙주 상호작로 프로파일을 가진 생존 가능한 자손을 생성하는 성적 잡종 형성을 가능하게 한다.
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작물에 감염되는 균류는 종종 단일 유형의 식물에 특화되어, 밀이나 보리를 공격하는 전문가로 진화하지만 다른 하나에서는 살아남지 못하는 경우가 많습니다. 이러한 전문화는 장벽 역할을 하여 서로 다른 균류 집단을 분리하고 유전자가 섞이는 것을 방지합니다. 그러나 이러한 많은 식물 병원균은 멀리 떨어진 관목이나 나무와 같은 완전히 다른 종류의 식물에서 일어나는 숨겨진 유성 생식 주기를 가지고 있습니다. 이 대체 숙주 위에서 균류는 교배하고 자손을 생산할 수 있습니다. 과학자들은 들판에서 보이는 엄격한 전문화가 너무 깊어서 이들이 공유된 관목에서 만날 때조차 서로 교배하는 것을 막는지 오랫동안 궁금해해 왔습니다. 만약 장벽이 충분히 강하다면, 두 집단은 생존 가능한 자손을 생산할 수 없게 되어 사실상 별개의 종이 될 것입니다. 만약 장벽이 약하다면, 그들은 서로 섞여 이전에는 건드릴 수 없었던 작물을 감염시킬 수 있는 새로운 형질의 조합을 만들어낼 수 있습니다.
최근 한 연구에서 연구자들은 두 가지 밀접하게 연관되어 있지만 숙주가 특화된 형태의 줄무늬 녹병균을 사용하여 이 가능성을 테스트하고자 했습니다. 밀 줄무늬 녹병균으로 알려진 한 형태는 밀에는 감염되지만 보리에는 감염되지 않습니다. 다른 하나인 보리 줄무की 녹병균은 보리에는 감염되지만 밀에는 감염되지 않습니다. 이들은 들판에서의 서로 다른 습성에도 불구하고, 두 형태 모두 공통의 관목인 매자나무를 성적으로 번식하는 장소로 사용합니다. 연구자들은 이 두 가지 뚜렷한 균류 형태가 교배할 수 있는지 확인하기 위해 통제된 실험 환경에서 매자나무 위로 이들을 함께 가져왔습니다. 그들은 서로 다른 작기에 특화된 이 두 형태가 실제로 교차 교배가 가능하다는 것을 발견했습니다. 교배는 18개의 생존 가능한 자손을 생산했으며, 이는 두 형태 사이의 유전적 장벽이 완전하지 않음을 증로했습니다. 이 발견은 이 균류들이 들판에서는 다르게 보이고 행동할지라도, 기회가 주어지면 유전자를 섞을 수 있는 생물학적 기제를 유지하고 있음을 보여준다는 점에서 중요합니다.
연구자들은 이 교배가 어떻게 작동하는지 이해하기 위해 이 새로운 자손들의 유전적 구성을 조사했습니다. 그들은 균류가 서로 다른 염색체에 위치한 두 개의 별도 유전적 스위치를 포함하는 특정 시스템을 사용하여 적합성을 결정한다는 것을 발견했습니다. 교배가 일어나기 위해서는 파트너가 이 스위치들의 서로 다른 버전을 가지고 있어야 합니다. 연구는 밀에 적응한 형태와 보리에 적응한 형태의 부모가 이 스위치들의 호환 가능한 버전을 보유하고 있어 서로 융합하고 번식할 수 있었음을 확인했습니다. 더욱이, 자손들은 두 부모로부터 이 스위치들을 혼합하여 물려받았으며, 결과적으로 네 가지의 서로 다른 유전적 조합을 나타냈습니다. 이 패턴은 유전자가 서로 섞이고 다음 세대로 전달되는 성적 번식의 예상 규칙을 따랐음을 확인시켜 주었습니다.
아마도 가장 놀라운 결과는 이 새로운 잡종 균류를 밀과 보리 식물에 대해 테스트했을 때 나타났습니다. 원래의 부모들은 엄격한 전문가였습니다. 즉, 밀 형태는 보리에 감염될 수 없었고, 보리 형태는 밀에 감염될 수 없었습니다. 그러나 자손들은 새로운 종류의 행동을 보였습니다. 잡종 중 일부는 밀과 보리 모두에 감염될 수 있었는데, 이는 두 부모 모두가 가지지 못한 형질이었습니다. 다른 것들은 부모가 감염할 수 없었던 밀과 보리의 품종들을 혼합하여 감염할 수 있었습니다. 이는 두 전문화된 부모의 유전 물질을 결합함으로써, 균류가 식물의 방어 기제를 극복할 수 있는 새로운 능력을 생성할 수 있음을 시사합니다. 연구는 잡종이 모든 식물에 대해 초강력 감염성을 갖게 된다는 것을 발견한 것이 아니라, 때때로 두 작물의 특정 품종을 감염시키는 등 새로운 능력의 범위를 보여주었다는 점을 밝혀냈습니다.
이 연구는 이 두 균류 집단 사이의 분리가 절대적이지 않다는 것을 보여줍니다. 그들은 서로 다른 작물에 특화되도록 진화했지만, 공유된 성적 숙주에서 만났을 때 서로를 짝으로 인식하거나 건강한 자손을 생산하는 능력을 잃지는 않았습니다. 연구자들은 이러한 성적 혼합이 숙주 식물과 상호작용하는 방식을 변화시키는 새로운 유전적 조합을 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 작물 보호의 맥락에서, 이는 새로운 균류 위협의 진화가 항상 단일 집단 내에서의 느리고 점진적인 변화로부터만 오는 것은 아님을 의미합니다. 대신, 야생 숙주에서 서로 다른 전문화된 집단이 가끔 만나는 것이 이전에 도달할 수 없었던 작물을 감염시킬 수 있는 잡종을 갑작스럽게 만들어낼 수 있습니다. 이 연구는 숙주 특화와 성적 혼합 능력이 공존할 수 있다는 직접적인 증거를 제공하며, 새로운 균류 변종의 출현 가능성을 열어두고 있습니다.
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