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。它有许多品种，但阿拉比卡咖啡和罗布斯塔咖啡是最受欢迎的品种，占全球产量的大部分。 小粒咖啡 占世界咖啡产量的 60–80%，而 Coffea canephora （俗称罗布斯塔咖啡） 约占20–40％。
咖啡枯萎病是由土壤真菌引起的 木霉 它通过作物根部进入植物体内，在木质部定殖，破坏细胞壁以获取营养。它阻碍水分吸收，导致植物枯萎。相关真菌 尖孢镰刀菌 也是一种土传病原体，通过受感染的土壤传播，导致许多作物枯萎病，如香蕉巴拿马病、番茄维管萎蔫病等。 尖孢镰刀菌 生活在与咖啡间作以遮荫的其他植物（如香蕉）上，但与咖啡共享宿主 F. xylarioides。
自 1920 世纪 XNUMX 年代以来，非洲咖啡作物周期性地爆发枯萎病，对咖啡造成了破坏性影响 生产 以及农民的生计，特别是在埃塞俄比亚和中非地区。1920 世纪 2000 年代的早期疫情通过适当的手段得到了成功控制，然而该病在 XNUMX 世纪再次出现。病原真菌是否 木霉 在 1920 世纪 XNUMX 年代首次爆发后，病毒是否会经历进化，从而增强感染咖啡树的能力，导致再次爆发？有研究表明 拟镰刀菌 获得基因来增强感染能力。
2021 年发表的历史基因组学研究支持了这样一种观点，即阿拉比卡咖啡和罗布斯塔咖啡植物部分通过水平转移获得了不同的效应基因 尖镰孢菌。 效应基因编码参与疾病形成的分子。这些基因在真菌的整个生命周期中表达，以支持疾病过程。
在 5 年 2024 月 13 日发表的最新研究中，研究人员对 XNUMX 种历史菌株进行了比较基因组分析 尖孢镰刀菌 了解引起枯萎病的真菌如何进化并适应其宿主咖啡植物。研究发现 F. Xylarioides 有四个不同的谱系：一个适应阿拉比卡咖啡植物，一个适应罗布斯塔咖啡植物，还有两个历史谱系生活在相关的咖啡物种上。此外，这些菌株从相关的 尖镰孢菌， 这使得致病 拟镰刀菌 破坏咖啡植物的细胞壁，导致枯萎病。真核生物-真核生物水平基因转移 尖孢镰刀菌 至 拟镰刀菌 前者能够有效地感染咖啡植物 这使得咖啡枯萎病有可能再次出现。
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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