Meer dan dertig jaar lang vroegen wetenschappers zich af hoe specifieke resistentiegenen zich snel konden verspreiden onder diverse populaties van gewaspathogenen, zoals de veroorzakers van rijstontploffing en tarwestengelroest. Nu heeft een team van internationale wetenschappers onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Californië, Davis, vastgesteld hoe deze avirulentiegenen (AVR) tussen schimmelsoorten springen door op mobiele elementen te liften. Hiermee wordt een al lang bestaande vraag beantwoord die plantenpathologen al tientallen jaren in verwarring brengt.

De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Nature Communications.

"Ons team ontdekte dat sommige AVR-genen deel uitmaken van een discrete groep mobiele elementen die zich snel door genomen kunnen verplaatsen, niet alleen binnen soorten, maar ook tussen verschillende schimmelsoorten", zegt hoofdauteur Menglong Chen, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling. van plantenpathologie aan UC Davis. "We hebben deze mobiele elementen Rapidly Moving Elements Associated with Virulence (RMEAV's) genoemd."

Plantenpathogenen zijn micro-organismen, waaronder schimmels, bacteriën en oomyceten, die ziekten bij planten kunnen veroorzaken. Veel belangrijke plantpathogenen bevatten genen die coderen voor AVR-eiwitten. AVR-genen spelen een belangrijke rol bij het op gang brengen van de immuunrespons van een plant en het veroorzaken van ziekten. AVR-eiwitten worden herkend door overeenkomstige ziekteresistentie-eiwitten in de waardplant, wat leidt tot een afweerreactie die infectie kan beperken of voorkomen. Als zodanig worden AVR-genen al tientallen jaren gebruikt bij plantenveredelingsinspanningen om resistente rassen te ontwikkelen.

"Om resistentieveredeling succesvol te laten zijn, moeten de gebruikte resistentiegenen duurzaam zijn, wat betekent dat ze gedurende een lange periode effectieve resistentie kunnen bieden", zegt co-auteur Brent Threlfall, assistent-projectwetenschapper bij de afdeling Plantenpathologie van UC Davis. "De snelle en frequente opkomst van nieuwe ziekteverwekkerstammen die deze resistenties kunnen overwinnen, heeft deze inspanningen echter gefrustreerd."

De pathogene stammen die opduiken, vaak "virulente" stammen genoemd, bevatten nieuwe of gemuteerde versies van AVR-genen. Het vermogen van deze AVR-genen om te veranderen betekent dat ze detectie door het immuunsysteem van de plant kunnen omzeilen en ziekten kunnen veroorzaken bij voorheen resistente planten.

De onderzoekers gebruikten verschillende benaderingen, waaronder vergelijkende genomica, bio-informatica, moleculaire biologie en functionele studies om de mysterieuze verspreiding van AVR-genen onder verschillende schimmelsoorten te begrijpen. Ze concentreerden zich op twee van de meest destructieve schimmelpathogenen van granen wereldwijd, Magnaporthe oryzae, de veroorzaker van rijstziekte, en Zymoseptoria tritici, de veroorzaker van Septoria tritici-vlek in tarwe.

De wetenschappers konden aantonen dat de RMEAV's autonome replicons zijn die zich vermenigvuldigen en verspreiden met behulp van de replicatie- en transcriptiemachines van de gastheerschimmel. Ze ontdekten ook dat RMEAV’s als egoïstische elementen kunnen fungeren, wat betekent dat ze geen direct voordeel voor de schimmel opleveren, maar zich toch met succes door een populatie kunnen verspreiden.

"Het begrijpen van de mechanismen achter de snelle verspreiding van AVR-genen onder verschillende schimmelsoorten is van cruciaal belang voor het ontwikkelen van strategieën om de duurzaamheid van resistentiegenen in gewassen te verbeteren", zegt senior auteur van het onderzoek Jian-Min Yuan, professor aan de afdeling Plantenpathologie aan de UC. Davis. "Onze bevindingen bieden nieuwe aanwijzingen over hoe sommige ziekteverwekkers zich snel kunnen aanpassen en de weerstand van planten kunnen overwinnen, waardoor we een stap voor kunnen blijven in de strijd tegen verwoestende plantenziekten."