PHYTOPHTHORA INFESTANS,

Transkrypt

1 1 MIGRACJE PHYTOPHTHORA INFESTANS, SPRAWCY ZARAZY ZIEMNIAKA RYS HISTORYCZNY mgr Marcin Chmielarz IHAR PIB, Zakład Genetyki i Materiałów Wyjściowych Ziemniaka w Młochowie Młochów, m.chmielarz@ihar.edu.pl Z araza ziemniaka to choroba wywoływana przez Phytophthora infestans (Mont.) de Bary. Do niedawna organizm ten był zaliczany do królestwa grzybów, obecnie wiemy, że należy do Stramenopiles, grupy Oomycota, rzędu Peronosporales, rodzaju Phytophthora (NCBI Taxonomy browser, ). Do podstawowych różnic pomiędzy grzybami a oomycota należą: budowa ściany komórkowej występują w niej β 1-6 i β 1-3 glukany zamiast chityny, występowanie dwuwiciowych zoospor i diploidalny stan wegetatywny (Fry 2008). P. infestans posiada zdolność rozmnażania się zarówno płciowego, jak i bezpłciowego. Rozmnażanie płciowe następuje między osobnikami należącymi do dwóch różnych typów kojarzeniowych, oznaczonych jako A1 i A2. W jego wyniku powstają grubościenne oospory. Rozmnażanie bezpłciowe polega na wytwarzaniu na powierzchni porażonego liścia zarodników zwanych sporangiami, które mają zdolność infekcji, bezpośrednio kiełkując na powierzchni rośliny lub uwalniając ruchliwe, dwuwiciowe zoospory. W optymalnych warunkach z jednej zmiany patologicznej na liściu może powstać nawet sporangiów w kilka dni po zakażeniu (Fry 2008). W efekcie w ciągu około tygodnia zaraza ziemniaka jest w stanie kompletnie zniszczyć całe pole ziemniaka. Już w 1940 roku pisał E. C. Large: Ziemniaki cierpiały od chorób w przeszłości: od parcha, od dolegliwości zwanej liściozwojem, od suszy i od zbyt dużej ilości deszczu w złych sezonach, ale nie widziano dotychczas nic tak niszczycielskiego jak ten nowy pomór. Powala uprawiane rośliny jak szron w lecie. Rozprzestrzenia się szybciej niż cholera pośród ludzi (cyt. za Fry 2008, tłumaczenie własne). Poza ziemniakiem P. infestans jest także patogenem pomidora Solanum lycopersicum, a także niektórych innych roślin należących do rodziny psiankowatych. Do rodzaju Phytophthora należy bardzo wiele ważnych rolniczo patogenów, takich jak: P. sojae (żywiciel soja), P. ramorum (żywiciel dąb) (Garnica 2006), P. palmivora (żywiciel kokos), P. megakarya (żywiciel kakaowiec), P. cinnamomi (żywiciel drzewa owocowe, krzewy ozdobne) (Kamoun 2003). W 2009 roku NCBI Taxonomy Browser wymienia 119 gatunków rodzaju Phytophthora. Pierwsza migracja lata 40. XIX wieku Niektóre źródła donoszą o pojawieniu się zarazy ziemniaka w różnych częściach świata przed pierwszą falą migracji patogenu. Wnikliwsza analiza i uważna interpretacja tych doniesień wskazuje, że opisywany czynnik sprawczy to raczej Fusarium, powodujący suchą zgniliznę ziemniaka (Andrivon 1996). Pierwsze wiarygodne wzmianki o pojawieniu się choroby o objawach wskazujących na zarazę ziemniaka pochodzą z roku 1843, z okolic Filadelfii w USA. Z czasem doniesienia o chorobie pochodziły z coraz bardziej oddalonych rejonów; wiadomo, że w 1845 roku choroba pojawiła się w Kanadzie i północnych stanach USA. W czerwcu tego samego roku P. infestans pojawiła się po raz pierwszy w Europie w Belgii, a w połowie października przeniosła się do Irlandii i przez

2 2 Niemcy migrowała na wschód Europy. W rejonach tych natrafiła na sprzyjające warunki do rozwoju i szybko rozprzestrzeniła się na kontynencie (Fry 1993). W XIX wieku ziemniak był podstawą żywienia uboższych warstw społecznych, tak więc duże straty w plonie uderzyły w najbiedniejszych. W ówczesnej Irlandii stanowił główne źródło pożywienia; jego średnia konsumpcja dzienna była bardzo wysoka (Ristaino 2002). Pojawienie się tak destruktywnego patogenu, w dodatku w sprzyjających rozwojowi warunkach pogodowych, miało katastrofalne skutki dla upraw ziemniaka w Irlandii i spowodowało zjawisko znane pod nazwą Wielkiego Głodu. W efekcie tej epidemii nastąpił spadek populacji Irlandii z około 8,3 mln mieszkańców w 1846 roku do 5,17 w roku 1881 (Gregory 1983). Szacuje się, że ponad milion osób zmarło z głodu, a pozostali emigrowali (Govers 2005). Obecnie pojawiają się sugestie, jakoby głód spowodowany zarazą ziemniaka był jedną z głównych przyczyn tzw. Rabacji Galicyjskiej w 1846 roku. Ziemniaki uprawiane w Europie były eksportowane na cały świat, wskutek czego choroba w krótkim czasie zaczęła pojawiać się na wszystkich kontynentach, na które trafiły zakażone bulwy (Fry 1993). Do niedawna uważano, że pierwszą epidemię P. infestans wywołała jedna linia klonalna, oznaczona jako US-1. W 2001 roku, analizując metodami molekularnymi okazy zielnikowe zebrane w Irlandii i Wielkiej Brytanii w latach , znaleziono jednak genotypy nie należące do linii US-1 (Ristaino 2001). Linia US- 1 dominowała pośród szczepów P. infestans izolowanych przed wystąpieniem drugiej fali migracji. Możliwe jest, że w pierwszej fali występowały różne linie klonalne, ale z czasem linia US-1 zdominowała światową populację, co tłumaczyłoby obecność różnych linii w XIX wieku i dominację jednej w wieku XX (Ristaino 2002). W czasie pierwszej fali migracji czynnik odpowiedzialny za epidemię nie był jeszcze znany. Angielski botanik John Lindley, który opisał objawy choroby, uważał, że jest ona wywoływana przez czynniki abiotyczne. Lindley nie był mykologiem, a fitopatologia jako dziedzina nauki wówczas nie istniała. Opis symptomów choroby, które podał, był bardzo dokładny. Pasuje on tylko do zarazy ziemniaka i nie można go pomylić z inną. W 1845 roku napisał: choroba polega na stopniowym rozkładzie liści i łodyg, które stają się gnijącą masą, a bulwy są stopniowo uszkadzane w podobny sposób. Pierwszą oczywistą oznaką jest pojawienie się na krawędziach liści czarnych punktów, które stopniowo rozszerzają się; następnie zgorzel atakuje łodygi i w ciągu kilku dni ulegają one rozkładowi, wydzielając typowy i dość odrażający zapach (cyt. za Goodwin 1996, tłumaczenie własne). Przyczyn choroby doszukiwano się w pogodzie czy złej ziemi. Niektórzy widzieli w tym działanie sił nieczystych. Obserwacje zarazy ziemniaka doprowadziły w 1845 roku szkockiego badacza J. F. W. Johnsona do następujących wniosków: Pewne jest, że grzyb pojawia się na liściach, łodygach i bulwach roślin, które zostały zaatakowane, ale nie jest pewne, czy grzyb jest powodem, czy konsekwencją choroby w jakim stopniu rozpatrywać go jako pasożyta ziemniaków, czy zaledwie jako konsumenta ich umierających części (cyt. za Ristaino 2002, tłumaczenie własne). Nad ustaleniem przyczyny choroby pracowali m.in. J. Teschemacher w USA, M. J. Berkeley w Wielkiej Brytanii, Montagne we Francji i de Bary w Niemczech, ale dopiero w 1867 roku niemiecki botanik i mykolog, uważany za twórcę fitopatologii, Heinrich Anton de Bary wykazał niezbicie, że za zarazę ziemniaka odpowiada organizm nazwany przez niego Phytophthora infestans i zaliczony do królestwa grzybów (Govers 2005). Pochodzenie Przez długi czas ustalenie miejsca pochodzenia P. infestans wywoływało spory naukowe. Pierwsza teoria sformułowana przez Berkeleya i wspierana przez de Bary głosiła, że patogen pochodzi z północnych rejonów południowoamerykańskich Andów (obecnie Peru i Boliwia). Teoria oparta była na założeniu, że wywodzi się on z tego samego rejonu co roślina, na której został zaobserwowany, czyli ziemniak Solanum tuberosum. Teoria ta była powszechnie akceptowana aż do lat 50. XX wieku, kiedy to pojawiła się nowa idea, wskazująca jako źródło zarazy ziemniaka centralny Meksyk (dolinę

3 3 Toluca). Bazowała ona na odkryciu, że występują tam obydwa typy kojarzeniowe, do tego w podobnych proporcjach. Także zróżnicowanie genetyczne patogenu jest tam największe. Ta koncepcja zyskiwała z czasem nowe dowody na swoje poparcie, wynikające z badań, podczas gdy koncepcja andyjska bazowała na historycznych opisach choroby podobnej w objawach do zarazy ziemniaka. Zróżnicowanie populacji P. infestans w rejonie andyjskim okazało się bardzo małe w porównaniu z populacją meksykańską, co także świadczy przeciwko koncepcji pochodzenia z Andów (Andrivon 1996). Współczesne wyniki badań przemawiają na korzyść teorii meksykańskiej, i to właśnie ona zyskała powszechną akceptację środowiska naukowego (Goodwin 1996). Do lat 40. XIX wieku P. infestans nie występowała poza swoją pierwotną lokalizacją, gdzie pasożytowała na dzikim gatunku ziemniaka Solanum demissum. Ten gatunek wytwarza małe bulwy i przez to nie ma znaczenia gospodarczego, dlatego dopóki choroba nie przeniosła się na uprawiany powszechnie S. tuberosum, jej występowanie było ograniczone do doliny Toluca. Dodatkowo ograniczeniu rozprzestrzeniania się sporangiów niesionych wiatrem sprzyjała geografia rejonu góry i wzniesienia (Andrivon 1996). Druga migracja lata 70. XX wieku Linie patogenu, który w XIX wieku emigrował z Meksyku, należały do typu A1 i do lat 70. XX wieku tylko ten typ był obecny wszędzie z wyłączeniem centralnego Meksyku. Tak więc przez około 130 lat zdecydowana większość światowej populacji patogenu rozmnażała się tylko bezpłciowo. Z tego też powodu został on zaklasyfikowany do sztucznej grupy grzybów niedoskonałych. Typ A2 został wykryty w Meksyku dopiero w 1956 roku. W zimie 1976/77 nastąpiła kolejna migracja P. infestans tym razem bezpośrednio z Meksyku do Europy, w zakażonych bulwach przeznaczonych do konsumpcji (Fry 2008). I tak jak poprzednio migrujące linie klonalne rozprzestrzeniły się po Europie, a stamtąd przez handel na inne kontynenty. Wśród migrujących linii występowały obydwa typy kojarzeniowe A1 i A2, jak również znacznie zróżnicowane genotypy, co w znaczący sposób odbiło się na globalnym zróżnicowaniu P. infestans (Goodwin 1997). Możliwość rozmnażania płciowego przez rekombinację przyspiesza dostosowywanie się do warunków środowiskowych. Produkcja grubościennych oospor umożliwia zimowanie w glebie. Wcześniej jedyną szansą na przetrwanie zimy dla P. infestans była infekcja bulw, które na wiosnę zostaną użyte jako sadzeniaki. Nowe genotypy w ciągu paru lat zastąpiły stare w wielu europejskich krajach, np. w Niemczech, Holandii czy Polsce. Badania genetyczne wykazały, że to zjawisko nie było wynikiem rekombinacji między starą populacją a nową falą migracji, gdyż markery genetyczne charakterystyczne dla starej populacji nie występowały w nowej. Sugeruje to wyparcie starej linii klonalnej wskutek konkurencji, zarówno dzięki możliwości zimowania w glebie, jak i zaobserwowanej większej agresywności nowej populacji (Fry 1993). Niedawne zmiany w populacjach W populacjach P. infestans zaobserwowanych w roku 1990 na ziemniakach i pomidorach w zachodnim Waszyngtonie i 1991 roku na pomidorach na Florydzie oraz na ziemniakach we wschodnim Waszyngtonie wykryto dominację jednej, nowej linii klonalnej, która nie była obecna wcześniej w tych rejonach. Linia ta wykazywała odporność na fenyloamidy (m.in. na metalaksyl) stosowane w walce z zarazą ziemniaka. Obniżona wrażliwość na ten fungicyd stanowi bardzo poważny problem w uprawie ziemniaka i pomidora (Fry 1993). W 2005 roku w Wielkiej Brytanii zauważono znaczny wzrost udziału linii oznaczonej jako 13_A2. Charakteryzuje się ona wyższą agresywnością i przystosowaniem niż dotychczas spotykane. Dzięki temu w roku 2007 stanowiła już około 80% brytyjskiej populacji P. infestans. Wzrasta także jej udział w populacjach poza Wyspami Brytyjskimi (Lees 2008). Walka z patogenem W obecnych czasach zaraza ziemniaka wciąż pozostaje najbardziej znaczącym patogenem ziemniaka. Na obszarach intensywnej jego uprawy w stanach Waszyngton i Oregon koszt fungicydów stosowanych do walki z zarazą tylko w roku 1995 przekroczył 30 mln dolarów (Ristaino 2002). W roku

4 w całym USA użyto ponad 2000 ton fungicydów do walki z zarazą ziemniaka, przy kosztach sięgających 200 dolarów na akr (Fry 2008). Średnie straty wywołane zarazą w uprawie ziemniaków w Polsce wynoszą na niechronionych polach 39,4%, a z powodu wysokich kosztów pełna ochrona jest stosowana na 39-48,8% polskich pól uprawnych. Jednak nawet na chronionych polach średnia liczba zabiegów nie jest dostatecznie wysoka (Kapsa 2004). Łączne globalne koszty strat spowodowanych przez P. infestans, razem z kosztami ochrony chemicznej, są szacowane na ponad 6 mld dolarów rocznie (Haas 2009). Ze względu na narastającą odporność patogenu na chemiczne środki ochrony roślin, wysokie koszty takiej ochrony i niepożądany wpływ fungicydów na środowisko naturalne preferuje się uprawę odpornych odmian ziemniaka. Geny odporności R zapewniają wysoką odporność, są łatwe do wprowadzenia, ale specyficzne dla rasy patogenu, co wywiera silną presję selekcyjną na populację sprawcy zarazy ziemniaka i w efekcie po pewnym czasie rasy potrafiące przełamać taką odporność dominują w danej populacji P. infestans. Z punktu widzenia hodowcy dobrym rozwiązaniem jest uprawa składająca się z różnych linii ziemniaka, z których każda posiada jeden gen odporności. Zmniejsza to presję na patogen, a ewentualne przełamanie odporności jednego genu nie prowadzi do zniszczenia całej uprawy (Śliwka 2005). Pośród dzikich krewniaków ziemniaka poszukuje się odmian zawierających geny odporności, jak np. gen Rpi-phu1, który pochodzi z Solanum phureja. Takie dzikie odmiany ziemniaka poddaje się hodowli rekombinacyjnej, która umożliwia wprowadzenie wybranych genów do hodowli S. tuberosum. Mimo że jest to rodzaj modyfikacji genetycznej, to do organizmu biorcy wprowadza się geny obecne w blisko spokrewnionych z nim organizmach, dzięki czemu proces ten zwany cisgenezą nie niesie ze sobą tylu kontrowersji co transgeneza. W przyszłości interesującym kierunkiem wydają się badania nad potencjalnym zastosowaniem zjawiska hypowirulencji (obniżenie wirulencji patogenu w wyniku infekcji wirusem), które z powodzeniem zastosowano w walce z Cryphonectria parasitica pasożytem powodującym chorobę kasztanowców Castanea spp. Zastosowanie szczepów C. parasitica zainfekowanych wirusem CHV-1 (Cryphonectria hypovirus 1) pozwoliło ograniczyć destruktywność patogenu, jednak nie jest do końca jasne, czy wynikało to z kontrolowanych szczepień, czy z naturalnej infekcji wirusem (Milgroom 2004). Chociaż wykryto już obecność wirusowego dsrna w izolatach P. infestans, nie wykazano dotychczas związku pomiędzy infekcją wirusem a obniżoną wirulencją. Jednakże prace nad wirusem nazwanym doraźnie Pirs-1 (Phytophthora infestans RNA virus 1) trwają, z nadzieją na potencjalne wykorzystanie wirusa jako narzędzia do manipulacji genetycznych na P. infestans (Cai 2009). Literatura 1. Andrivon D The origin of Phytophthora infestans populations present in Europe on the 1840s: a critical review of historical and scientific evidence. Plant Path. 45: ; 2. Cai G A novel virus of the late blight pathogen, Phytophthora infestans, with two RNA segments and a supergroup 1 RNA-dependent RNA polymerase. Virology 392: ; 3. Fry W.E Historical and recent migrations of Phytophthora infestans: chronology, pathways, and implications. Plant Dis. 77: ; 4. Fry W. E Phytophthora infestans: the plant (and R gene) destroyer. Mol. Plant Path. 9: ; 5. Garnica D. P Survey and analysis of microsatellites from transcript sequences in Phytophthora species: frequency, distribution, and potentials as markers for the genus. BMC Genomics : 245; 6. Goodwin S. B Origin and ecology of Phytophthora infestans Revista Mexic. Fitopatol. 14: ; 7. Goodwin S. B Origin of the A2 Mating Type of Phytophthora infestans outside Mexico. Phytopathology 87: ; 8. Govers F Late blight: the perspective from the pathogen. Potato in progress: Science meets practice: ; 9. Gregory P. H Some major epidemics caused by Phytophthora. [W:] Phytophthora: Its Biology, Ecology and Pathology. Erwin D. C., Bartnicki-Garcia S., Tsao P. H. (ed.). APS Press. Am. Phytopath. Soc.: ; 10. Haas B. J Genome sequence and analysis of the Irish potato famine pathogen Phytophthora infestans. Nature 461: ; 11. Kamoun S Molecular genetics of pathogenic oomycetes. Eukaryotic Cell 2: ; 12. Kapsa J Zmiany stanu zagrożenia i ochrony plantacji ziemniaka przed zarazą (P. infestans) w Pol-

5 5 sce na tle krajów europejskich. Prog. Plant Prot. 44 (1): ; 13. Lees A. K Phytophthora infestans populations changes: implications. Proc. Eleventh EuroBlight Workshop, PPO-Special Report no. 13, : 55-60; 14. Milgroom M. G Biological control of chestnut blight with hypovirulence: a critical analysis. Ann. Rev. Phytopath. 42: ; 15. Ristaino J. B PCR amplification of the Irish potato famine pathogen from historic specimens. Nature 411: ; 16. Ristaino J. B Tracking history migrations of the Irish potato famine pathogen, Phytophthora infestans. Microbes and Infection 4: ; 17. Śliwka J Charakterystyka odporności na Phytophthora infestans (Mont.) de Bary liści i bulw ziemniaka w wybranych populacjach diploidalnych mieszańców Solanum tuberosum L. Rozpr. dokt. IHAR Oddz. Młochów; 18. Strona internetowa NCBI Taxonomy Browser dane na dzień