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复杂因素可以驱动植物病原体的出现和进化

对于我们许多人来说,西葫芦和黄瓜的丰收让人想起夏天炎热的日子,而南瓜和葫芦在整个秋季都装饰着我们的假日餐桌。然而,这些标志性的水果和蔬菜 - 统称为葫芦科植物 - 也可以帮助我们了解对作物构成重大风险的植物病害的传播。

我最近领导了一项研究,该研究使用来自属于葫芦科(Zcurchaceae)的两个密切相关植物的作物物种 - 西葫芦,南瓜和南瓜,它们都属于同一属(南瓜属)并且原产于美洲,以及黄瓜和甜瓜,都属于原产于欧亚的属(Cucumis)。我使用这些密切相关的,原生的和引进的葫芦科作物植物作为模型系统来了解植物病原体如何以及为何出现。

在这项研究中,我从美国东部的这两个寄主植物属中收集了88个欧文氏菌(Erwinia tracheiphila)样本,并测序了它们的整个基因组。E. tracheiphila是一种病原体,在这些葫芦科植物中引起细菌性枯萎病,每年造成数千万美元的农作物损失和预防成本。然而,缺乏关于这种病原体的基本知识意味着农民可用的控制方法很少。

E. tracheiphila的基因组就像弗兰肯斯坦的怪物 - 将来自不同来源的许多不同基因和DNA拼凑在一起,这表明它最近经历了戏剧性的变化。88种不同样品的基因组之间也存在很少的遗传差异。从这些基因组数据中,我确定E. tracheiphila最近才进化为病原体。

我和我的同事也发现了三种不同的细菌谱系。令人惊讶的是,我们还发现黄瓜是唯一对所有三个谱系敏感的宿主植物,并且是最易感染的宿主植物物种。这是值得注意的,因为虽然南瓜和西葫芦原产于北美东部并且已经存在于美洲各地数百万年,但是在1500年欧洲殖民化之后,黄瓜和甜瓜才被引入北美。这有力地表明,引进外来作物,随后在北美东部广泛种植,无意中引起了一种新的,非常具有破坏性的植物病原体的出现。

我们的研究结果强烈表明,葫芦科植物 - 尤其是引入黄瓜 - 的方式是在密集的单一栽培中种植,结合当地的气候,所有这些都有助于创造一种新的生态位,这种新的细菌病原体就会出现。

这种情况为我们提供了一个令人兴奋的机会:由于温带东部美国是世界上唯一发生这种病原体的地方,我们可以通过细菌病原体基因组序列中的信息进行剖析 - 为什么当地的气候和农业实践推动了这种农业病原体的出现,持续和发展。

这可能会给我们提供重要的见解,因为更现代的北美单一栽培实践似乎是这种特定植物病害爆发的重要因素。单一栽培指的是相同寄主植物物种的大量种群的强烈生长,而不是在同一田地中种植多种作物,例如古代墨西哥milpa混养栽培系统的情况。

以这可能更为常见的历史术语来说,E。tracheiphila与黑瘟病病原体鼠疫耶尔森氏菌(Yersinia pestis)有着显着的相似之处,该病毒在中世纪杀死了欧洲一半的人口。无论E. tracheiphila和鼠疫杆菌表现出它们的基因组类似的戏剧性的变化。这些变化使得两种病原体都出现在大的,密集的,遗传相似的宿主种群中 - 在鼠疫病菌的情况下是人类,在嗜水气单胞菌的情况下是葫芦科。

最近出现的E. tracheiphila是一个景观层面的问题,不能由个体农民解决。我们的研究表明,我们的现代农业实践 - 虽然产生难以想象的高产量 - 也对微生物病原体具有意想不到的敏感性。这个结果应该让我们停下来,并激励我们更加思考如何从结构上保护我们的农业系统 - 在景观层面 - 从未来的E. tracheiphila等病原体。

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