A conserved tetrapolar mating system permits sexual hybridization and recombinant host phenotypes in wheat- and barley-adapted Puccinia striiformis
Ondanks aanzienlijke gastheer-specialisatie en genoombrede differentiatie tussen op tarwe en gerst aangepaste *Puccinia striiformis*, maakt een geconserveerd tetrapolair paringssysteem op de alternatieve gastheer *Berberis vulgaris* seksuele hybridisatie mogelijk die levensvatbare nakomelingen produceert met nieuwe, recombinante gastheerinteractieprofielen.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van een preprint die niet peer-reviewed is. Dit is geen medisch advies. Neem geen gezondheidsbeslissingen op basis van deze inhoud. Lees de volledige disclaimer
Schimmels die gewassen infecteren, specialiseren zich vaak in één specifiek type plant, waarbij ze experts worden in het aanvallen van bijvoorbeeld tarwe of gerst, maar niet in staat zijn om de andere te overleven. Deze specialisatie fungeert als een barrière, die verschillende schimmelpopulaties gescheiden houdt en voorkomt dat hun genen mengen. Veel van deze plantpathogenen hebben echter een verborgen seksuele levenscyclus die zich afspeelt op een totaal ander type plant, vaak een struik of boom, ver weg van de graanvelden. Op deze alternatieve gastheer kunnen de schimmels paren en nakomelingen produceren. Wetenschappers vroegen zich al lang af of de strikte specialisatie die in de velden wordt gezien, zo diep zit dat het deze schimmels verhindert om zelfs met elkaar te paren wanneer ze elkaar op de gedeelde struik ontmoeten. Als de barrières sterk genoeg zijn, zouden de twee groepen niet in staat zijn om levensvatbare nakomelingen voort te brengen, waardoor ze effectief aparte soorten worden. Als de barrières zwak zijn, zouden ze kunnen mengen, wat nieuwe combinaties van eigenschappen creëert die hen in staat kunnen stellen gewassen te infecteren die ze voorheen niet konden aantasten.
In een recente studie probeerden onderzoekers deze mogelijkheid te testen met behulp van twee nauw verwante maar gastheer-gespecialiseerde vormen van de zwartgestreepte roestschimmel. Eén vorm, bekend als tarwestreeproest, infecteert tarwe maar geen gerst. De andere, gerstestreeproest, infecteert gerst maar geen tarwe. Ondanks hun verschillende gewoonten in de velden, gebruiken beide vormen een gemeenschappelijke struik, de berber plant, als plek om zich seksueel voort te planten. De onderzoekers brachten deze twee verschillende schimmelvormen samen in een gecontroleerd experiment op berberplanten om te zien of ze met elkaar konden paren. Ze ontdekten dat de twee vormen, die gespecialiseerd zijn in verschillende gewassen, inderdaad in staat waren om te kruisen. De paring produceerde achttien levensvatbare nakomelingen, wat bewijst dat de genetische barrières tussen hen niet volledig zijn. Deze ontdekking is significant omdat het aantoont dat, hoewel deze schimmels er in de velden verschillend uitzien en handelen, ze nog steeds de biologische machinerie bezitten om hun genen te mengen wanneer ze de kans krijgen.
De onderzoekers bestudeerden vervolgens de genetische opbouw van deze nieuwe nakomelingen om te begrijpen hoe de paring werkte. Ze ontdekten dat de schimmels een specifiek systeem gebruiken om compatibiliteit te bepalen, waarbij gebruik wordt gemaakt van twee afzonderlijke genetische schakelaars die zich op verschillende chromosomen bevinden. Voor paring moeten de partners over verschillende versies van deze schakelaars beschikken. De studie bevestigde dat de op tarwe aangepaste en op gerst aangepaste ouders over compatibele versies van deze schakelaars beschikten, waardoor ze konden fuseren en zich konden voortplanten. Bovendien erfden de nakomelingen een mix van deze schakelaars van beide ouders, wat resulteerde in vier verschillende genetische combinaties. Dit patroon bevestigde dat de paring de verwachte regels van seksuele reproductie volgde, waarbij genen van beide ouders worden gehusseld en aan de volgende generatie worden doorgegeven.
Misschien wel het meest opmerkelijke resultaat was wat er gebeurde toen deze nieuwe hybride schimmels werden getest tegen tarwe- en gerstplanten. De oorspronkelijke ouders waren strikte specialisten: de tarwevorm kon geen gerst infecteren, en de gerstvorm kon geen tarwe infecteren. De nakomelingen vertoonden echter een nieuw soort gedrag. Sommige van de hybriden konden zowel tarwe als gerst infecteren, een eigenschap die noch de ene noch de andere ouder bezat. Anderen konden een mix van tarwe- en gerstvariëteiten infecteren die de ouders niet konden bereiken. Dit suggereert dat door het combineren van het genetisch materiaal van twee gespecialiseerde ouders, de schimmel nieuwe vermogens kan genereren om plantverdedigingsmechanismen te overwinnen. De studie vond niet dat de hybriden super-infectieus werden op alle planten; in plaats daarvan vertoonden ze een reeks nieuwe capaciteiten, waarbij ze soms specifieke variëteiten van beide gewassen infecteerden.
Dit werk demonstreert dat de scheiding tussen deze twee schimmelgroepen niet absoluut is. Hoewel ze geëvolueerd zijn om te specialiseren op verschillende gewassen, hebben ze niet het vermogen verloren om elkaar als partner te herkennen of om gezonde nakomelingen voort te brengen wanneer ze elkaar ontmoeten op hun gedeelde seksuele gastheer. De onderzoekers toonden aan dat deze seksuele vermenging nieuwe genetische combinaties kan creëren die de interactie van de schimmel met zijn gastheerplanten verandert. In de context van gewasbescherming betekent dit dat de evolutie van nieuwe schimmelbedreigingen niet altijd voortkomt uit langzame, geleidelijke veranderingen binnen een enkele groep. In plaats daarvan kan de incidentele ontmoeting van verschillende gespecialiseerde groepen op een wilde gastheer plotseling hybriden produceren met het vermogen om gewassen te infecteren die ze voorheen niet konden bereiken. De studie levert direct bewijs dat gastheerspecialisatie en het vermogen tot seksuele vermenging naast elkaar kunnen bestaan, waardoor de deur open blijft staan voor de opkomst van nieuwe schimmelstammen.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.