土壤真菌尖镰孢菌 (Fusarium xylarioides) 可引起“咖啡枯萎病”，这种病菌曾对咖啡作物造成严重损害。1920 世纪 5 年代，该病菌曾爆发，但得到了妥善管理。然而，该病菌在适当的时候再次出现，导致爆发并造成严重的农作物损害。早期研究表明，致病真菌物种可能是通过从相关物种获取基因而进化而来的。2024 年 XNUMX 月 XNUMX 日发表的一项研究证实，咖啡枯萎病再次爆发是由于相关真菌物种尖镰孢菌 (Fusarium oxysporum) 向致病物种尖镰孢菌 (Fusarium xylarioides) 的水平基因转移，这使得致病真菌物种得以进化并获得适合感染作物的特性，导致咖啡植物再次爆发并受到损害。
在基因工程中，使用质粒或改良病毒等载体将新基因或 DNA 人工转移到生物体细胞中，从而为生物体引入新的能力。
自然界中，基因转移或遗传信息的传递是在生殖过程中从亲本垂直地传给后代，并一代代传下去。这是真核生物的共同特征，使它们能够获得变异以适应和进化。然而，在细菌等原核生物中，遗传物质在同一代生物之间水平（或横向）转移，而不涉及生殖。这被称为水平基因转移（HGT），是细菌获得新基因以适应负选择压力和进化以求生存的唯一方式。这可以通过从环境中转移 DNA 并将其整合到细菌染色体或质粒（转化）中来实现。基因也可以通过感染细菌的病毒或噬菌体（转导）从一个细菌水平转移到另一个细菌，或者通过性菌毛将基因从供体细菌细胞直接水平转移到受体细胞（接合）。
虽然水平基因转移主要见于原核生物，但真核生物也存在这种现象。已知内共生通过细菌-真核生物基因转移在真核生物进化中发挥了作用。已记录了数个真核生物-真核生物基因转移的例子。
水平基因转移现象意义重大，因为它有助于进化。例如，它导致了抗生素耐药性/多药耐药性细菌菌株的出现，这是一个重大的公共卫生问题。在农业领域，人们长期以来怀疑相关真菌物种之间的水平基因转移在咖啡枯萎病再次爆发中起着作用。
咖啡枯萎病
咖啡是一种重要的经济作物，其全球市场规模估计约为223亿美元。咖啡树属于咖啡属（Coffea）。该属包含许多品种，但阿拉比卡咖啡和罗布斯塔咖啡最为常见，占据了全球大部分产量。阿拉比卡咖啡的产量占世界咖啡总产量的60%至80%，而罗布斯塔咖啡（Coffea canephora ）的产量则占20%至40%左右。
咖啡枯萎病是由土壤真菌木糖镰刀菌（Fusarium xylarioides）引起的，该真菌通过作物根部侵入，侵染木质部，破坏细胞壁以获取养分。它会阻碍水分吸收，导致植株枯萎。与之相关的真菌尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）也是一种土壤病原菌，它通过受感染的土壤传播，并导致多种作物出现枯萎病，例如香蕉的巴拿马病、番茄的维管束枯萎病等。尖孢镰刀菌寄生于与咖啡间作以遮荫的其他植物（例如香蕉）上，但它与木糖镰刀菌共享咖啡作为寄主。
自20世纪20年代以来，非洲咖啡作物周期性地遭受枯萎病的侵袭，对咖啡产量和农民生计造成了严重影响，尤其是在埃塞俄比亚和中非地区。20世纪20年代的早期疫情通过适当措施得到了有效控制，但该病在21世纪初再次出现。病原真菌木糖镰刀菌（Fusarium xylarioides）是否在20世纪20年代的最初疫情之后发生了进化，从而增强了感染咖啡植株的能力，导致疫情再次爆发？一些研究表明，木糖镰刀菌可能获得了增强感染能力的基因。
2021年发表的一项历史基因组学研究支持了阿拉比卡咖啡和罗布斯塔咖啡植株部分通过水平基因转移从尖孢镰刀菌（F. oxysporum）获得特定效应基因的观点。效应基因编码参与病害发生的分子。这些基因在真菌的整个生命周期中表达，以支持病害进程。
在2024年12月5日发表的最新研究中，研究人员对13个历史菌株的尖孢镰刀菌（F. oxysporum）进行了比较基因组分析，以了解引起咖啡枯萎病的真菌是如何进化并适应其寄主咖啡植株的。研究发现，木腐镰刀菌（F. xylarioides）存在四个不同的谱系：一个适应阿拉比卡咖啡植株，一个适应罗布斯塔咖啡植株，以及两个寄生于相关咖啡品种的历史谱系。此外，这些菌株从相关的尖孢镰刀菌（F. oxysporum）获得了关键基因，使致病的木腐镰刀菌（F. xylarioides）能够破坏咖啡植株的细胞壁，从而引发枯萎病。从尖孢镰刀菌（F. oxysporum）到木腐镰刀菌（F. xylarioides）的真核生物间水平基因转移，使得前者能够有效地感染咖啡植株，从而使咖啡枯萎病的再次出现成为可能。
了解疾病的病因可能有助于调整农业实践和更有效地管理植物疾病。
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参考文献：
- 科罗拉多大学丹佛分校。水平基因转移 - 活动指南。可访问 https://www.ucdenver.edu/docs/librariesprovider132/a-sync_sl/genetics/upload-2/bacterial-genetics/horizontal-gene-transfer-activity-guide.pdf
- Keeling, P., Palmer, J.真核生物进化中的水平基因转移。Nat Rev Genet 9, 605–618 (2008)。 https://doi.org/10.1038/nrg2386
- Peck, LD 等人。历史基因组学揭示了宿主特异性咖啡枯萎病病原菌 Fusarium xylarioides 多次爆发背后的进化机制。BMC Genomics 22, 404 (2021)。出版日期：04 年 2021 月 XNUMX 日。DOI： https://doi.org/10.1186/s12864-021-07700-4
- Peck LD 等人。真菌镰刀菌种之间的水平转移导致咖啡枯萎病的连续爆发。PLoS 生物学。出版日期：5 年 2024 月 XNUMX 日。DOI： https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002480
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