Migracje Phytophthora infestans, sprawcy zarazy ziemniaka – rys historyczny.

MIGRACJE

MIGRACJE

PHYTOPHTHORA INFESTANS,

PHYTOPHTHORA INFESTANS,

SPRA

SPRA

WCY ZARAZY ZIEMNIAKA

CY ZARAZY ZIEMNIAKA

– RYS HIST

– RYS HIST

ORYCZNY

RYCZNY

mgr Marcin Chmielarz

IHAR – PIB, Zakład Genetyki i Materiałów Wyjściowych Ziemniaka w Młochowie 05-831 Młochów, e-mail: m.chmielarz@ihar.edu.pl

araza ziemniaka to choroba wywoływa-na przez Phytophthora infestans (Mont.) de Bary. Do niedawna organizm ten był zali-czany do królestwa grzybów, obecnie wiemy, że należy do Stramenopiles, grupy Oomyco-ta, rzędu Peronosporales, rodzaju Phytoph-thora (NCBI Taxonomy browser, 10.2009). Do podstawowych różnic pomiędzy grzybami a oomycota należą: budowa ściany komór-kowej – występują w niej β 1-6 i β 1-3 gluka-ny zamiast chitygluka-ny, występowanie dwuwicio-wych zoospor i diploidalny stan wegetatywny (Fry 2008). P. infestans posiada zdolność rozmnażania się zarówno płciowego, jak i bezpłciowego.

Z

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, któ-re mają zdolność infekcji, bezpośktó-rednio kieł-kując na powierzchni rośliny lub uwalniając ruchliwe, dwuwiciowe zoospory. W optymal-nych warunkach z jednej zmiany patologicz-nej na liściu może powstać nawet 300 000 sporangiów w kilka dni po zakażeniu (Fry 2008). W efekcie w ciągu około tygodnia za-raza 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 dole-gliwości zwanej liściozwojem, od suszy i od zbyt dużej ilości deszczu w złych sezonach, ale nie widziano dotychczas nic tak niszczy-cielskiego jak ten nowy pomór. Powala

upra-wiane rośliny jak szron w lecie. Rozprze-strzenia się szybciej niż cholera pośród lu-dzi” (cyt. za Fry 2008, tłumaczenie własne).

Poza ziemniakiem P. infestans jest także patogenem pomidora – Solanum lycopersi-cum, a także niektórych innych roślin należą-cych 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. palmivo-ra (żywiciel – kokos), P. megakarya (żywiciel – kakaowiec), P. cinnamomi (żywiciel – drze-wa owocowe, krzewy ozdobne) (Kamoun 2003). W 2009 roku NCBI Taxonomy Brow-ser wymienia 119 gatunków rodzaju Phyto-phthora.

Pierwsza migracja – lata 40. XIX wieku

Niektóre źródła donoszą o pojawieniu się za-razy ziemniaka w różnych częściach świata przed pierwszą falą migracji patogenu. Wni-kliwsza 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 za-razę ziemniaka pochodzą z roku 1843, z okolic Filadelfii w USA. Z czasem doniesie-nia o chorobie pochodziły z coraz bardziej oddalonych rejonów; wiadomo, że w 1845 roku choroba pojawiła się w Kanadzie i pół-nocnych stanach USA. W czerwcu tego sa-mego roku P. infestans pojawiła się po raz pierwszy w Europie – w Belgii, a w połowie października przeniosła się do Irlandii i przez

Niemcy migrowała na wschód Europy. W re-jonach tych natrafiła na sprzyjające warunki do rozwoju i szybko rozprzestrzeniła się na kontynencie (Fry 1993).

W XIX wieku ziemniak był podstawą ży-wienia uboższych warstw społecznych, tak więc duże straty w plonie uderzyły w najbied-niejszych. W ówczesnej Irlandii stanowił główne źródło pożywienia; jego średnia kon-sumpcja dzienna była bardzo wysoka (Rista-ino 2002). Pojawienie się tak destruktywne-go patogenu, w dodatku w sprzyjających roz-wojowi warunkach pogodowych, miało kata-strofalne skutki dla upraw ziemniaka w Irlan-dii i spowodowało zjawisko znane pod na-zwą 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 pozo-stali emigrowali (Govers 2005). Obecnie po-jawiają się sugestie, jakoby głód spowodo-wany zarazą ziemniaka był jedną z głównych przyczyn tzw. Rabacji Galicyjskiej w 1846 roku.

Ziemniaki uprawiane w Europie były eks-portowane na cały świat, wskutek czego choroba w krótkim czasie zaczęła pojawiać się na wszystkich kontynentach, na które tra-fiły zakażone bulwy (Fry 1993). Do niedawna uważano, że pierwszą epidemię P. infestans wywołała jedna linia klonalna, oznaczona jako US-1. W 2001 roku, analizując metoda-mi molekularnymetoda-mi okazy zielnikowe zebrane w Irlandii i Wielkiej Brytanii w latach 1845-1847, znaleziono jednak genotypy nie nale-żące do linii 1 (Ristaino 2001). Linia US-1 dominowała pośród szczepów P. infestans izolowanych przed wystąpieniem drugiej fali migracji. Możliwe jest, że w pierwszej fali wy-stępowały 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. Lin-dley nie był mykologiem, a fitopatologia jako dziedzina nauki wówczas nie istniała. Opis symptomów choroby, które podał, był bardzo

dokładny. Pasuje on tylko do zarazy ziem-niaka i nie można go pomylić z inną. W 1845 roku napisał: „…choroba polega na stopnio-wym rozkładzie liści i łodyg, które stają się gnijącą masą, a bulwy są stopniowo uszka-dzane w podobny sposób. Pierwszą oczywi-stą oznaką jest pojawienie się na krawę-dziach liści czarnych punktów, które stopnio-wo rozszerzają się; następnie zgorzel ataku-je łodygi i w ciągu kilku dni ulegają one roz-kładowi, wydzielając typowy i dość odrażają-cy zapach” (odrażają-cyt. za Goodwin 1996, tłumacze-nie własne).

Przyczyn choroby doszukiwano się w po-godzie 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 bul-wach 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 umierają-cych części” (cyt. za Ristaino 2002, tłuma-czenie 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 Niem-czech, ale dopiero w 1867 roku niemiecki botanik i mykolog, uważany za twórcę fitopa-tologii, Heinrich Anton de Bary wykazał nie-zbicie, że za zarazę ziemniaka odpowiada organizm nazwany przez niego Phytophtho-ra infestans i zaliczony do królestwa grzybów (Govers 2005).

Pochodzenie

Przez długi czas ustalenie miejsca pocho-dzenia P. infestans wywoływało spory na-ukowe. 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 sa-mego rejonu co roślina, na której został za-obserwowany, czyli ziemniak – Solanum tu-berosum. Teoria ta była powszechnie akcep-towana aż do lat 50. XX wieku, kiedy to poja-wiła się nowa idea, wskazująca jako źródło zarazy ziemniaka centralny Meksyk (dolinę

Toluca). Bazowała ona na odkryciu, że wy-stępują tam obydwa typy kojarzeniowe, do tego w podobnych proporcjach. Także zróż-nicowanie genetyczne patogenu jest tam największe. Ta koncepcja zyskiwała z cza-sem nowe dowody na swoje poparcie, wyni-kające z badań, podczas gdy koncepcja „an-dyjska” 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 pocho-dzenia z Andów (Andrivon 1996). Współcze-sne wyniki badań przemawiają na korzyść teorii „meksykańskiej”, i to właśnie ona zy-skała powszechną akceptację środowiska naukowego (Goodwin 1996). Do lat 40. XIX wieku P. infestans nie występowała poza swoją pierwotną lokalizacją, gdzie pasożyto-wała na dzikim gatunku ziemniaka Solanum demissum. Ten gatunek wytwarza małe bul-wy i przez to nie ma znaczenia gospodarcze-go, dlatego dopóki choroba nie przeniosła się na uprawiany powszechnie S. tubero-sum, jej występowanie było ograniczone do doliny Toluca. Dodatkowo ograniczeniu roz-przestrzeniania 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 więk-szość światowej populacji patogenu rozmna-żała się tylko bezpłciowo. Z tego też powodu został on zaklasyfikowany do sztucznej gru-py grzybów niedoskonałych. Typ A2 został wykryty w Meksyku dopiero w 1956 roku.

W zimie 1976/77 nastąpiła kolejna migra-cja 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 mi-grujących linii występowały obydwa typy ko-jarzeniowe A1 i A2, jak również znacznie zróżnicowane genotypy, co w znaczący

spo-sób odbiło się na globalnym zróżnicowaniu P. infestans (Goodwin 1997).

Możliwość rozmnażania płciowego przez rekombinację przyspiesza dostosowywanie się do warunków środowiskowych. Produk-cja grubościennych oospor umożliwia zimo-wanie w glebie. Wcześniej jedyną szansą na przetrwanie zimy dla P. infestans była infek-cja 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. Ba-dania genetyczne wykazały, że to zjawisko nie było wynikiem rekombinacji między starą populacją a nową falą migracji, gdyż markery genetyczne charakterystyczne dla starej po-pulacji nie występowały w nowej. Sugeruje to wyparcie starej linii klonalnej wskutek konku-rencji, zarówno dzięki możliwości zimowania w glebie, jak i zaobserwowanej większej agresywności nowej populacji (Fry 1993).

Niedawne zmiany w populacjach

W populacjach P. infestans zaobserwowa-nych w roku 1990 na ziemniakach i pomido-rach w zachodnim Waszyngtonie i 1991 roku na pomidorach na Florydzie oraz na ziem-niakach we wschodnim Waszyngtonie wy-kryto dominację jednej, nowej linii klonalnej, która nie była obecna wcześniej w tych rejo-nach. Linia ta wykazywała odporność na fe-nyloamidy (m.in. na metalaksyl) stosowane w walce z zarazą ziemniaka. Obniżona wraż-liwość na ten fungicyd stanowi bardzo po-ważny problem w uprawie ziemniaka i pomi-dora (Fry 1993). W 2005 roku w Wielkiej Bry-tanii zauważono znaczny wzrost udziału linii oznaczonej jako 13_A2. Charakteryzuje się ona wyższą agresywnością i przystosowa-niem niż dotychczas spotykane. Dzięki temu w roku 2007 stanowiła już około 80% brytyj-skiej populacji P. infestans. Wzrasta także jej udział w populacjach poza Wyspami Brytyj-skimi (Lees 2008).

Walka z patogenem

W obecnych czasach zaraza ziemniaka wciąż pozostaje najbardziej znaczącym pa-togenem ziemniaka. Na obszarach intensyw-nej 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

2001 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 za-razą w uprawie ziemniaków w Polsce wyno-szą na niechronionych polach 39,4%, a z po-wodu wysokich kosztów pełna ochrona jest stosowana na 39-48,8% polskich pól upraw-nych. Jednak nawet na chronionych polach średnia liczba zabiegów nie jest dostatecznie wysoka (Kapsa 2004). Łączne globalne koszty strat spowodowanych przez P. infe-stans, razem z kosztami ochrony chemicz-nej, są szacowane na ponad 6 mld dolarów rocznie (Haas 2009).

Ze względu na narastającą odporność pa-togenu 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 wprowadze-nia, 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 roz-wiązaniem jest uprawa składająca się z róż-nych linii ziemniaka, z których każda posiada jeden gen odporności. Zmniejsza to presję na patogen, a ewentualne przełamanie od-porności jednego genu nie prowadzi do zniszczenia całej uprawy (Śliwka 2005). Po-śród dzikich krewniaków ziemniaka poszuku-je się odmian zawierających geny odporno-ści, jak np. gen Rpi-phu1, który pochodzi z Solanum phureja. Takie dzikie odmiany ziemniaka poddaje się hodowli rekombina-cyjnej, która umożliwia wprowadzenie wybra-nych 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 orga-nizmach, dzięki czemu proces ten – zwany cisgenezą – nie niesie ze sobą tylu kontro-wersji co transgeneza.

W przyszłości interesującym kierunkiem wydają się badania nad potencjalnym zasto-sowaniem zjawiska hypowirulencji (obniże-nie wirulencji patogenu w wyniku infekcji wi-rusem), które z powodzeniem zastosowano

w walce z Cryphonectria parasitica – paso-żytem powodującym chorobę kasztanowców – Castanea spp. Zastosowanie szczepów C. parasitica zainfekowanych wirusem CHV-1 (Cryphonectria hypovirus 1) pozwoliło ogra-niczyć destruktywność patogenu, jednak nie jest do końca jasne, czy wynikało to z kon-trolowanych szczepień, czy z naturalnej in-fekcji wirusem (Milgroom 2004). Chociaż wy-kryto już obecność wirusowego dsRNA w izolatach P. infestans, nie wykazano dotych-czas związku pomiędzy infekcją wirusem a obniżoną wirulencją. Jednakże prace nad wi-rusem nazwanym doraźnie Pirs-1 (Phytoph-thora infestans RNA virus 1) trwają, z na-dzieją na potencjalne wykorzystanie wirusa jako narzędzia do manipulacji genetycznych na P. infestans (Cai 2009).

Literatura

1. Andrivon D. 1996. The origin of Phytophthora

in-festans populations present in Europe on the 1840s: a

critical review of historical and scientific evidence. – Plant Path. 45: 1027-1035; 2. Cai G. 2009. A novel vir-us of the late blight pathogen, Phytophthora infestans, with two RNA segments and a supergroup 1 RNA-de-pendent RNA polymerase. – Virology 392: 52- -61; 3. Fry W.E. 1993. Historical and recent migrations of

Phytophthora infestans: chronology, pathways, and

im-plications. – Plant Dis. 77: 653-661; 4. Fry W. E. 2008.

Phytophthora infestans: the plant (and R gene)

des-troyer. – Mol. Plant Path. 9: 385-402; 5. Garnica D. P. 2006. Survey and analysis of microsatellites from tran-script sequences in Phytophthora species: frequency, distribution, and potentials as markers for the genus. – BMC Genomics 2006 7: 245; 6. Goodwin S. B. 1996. Origin and ecology of Phytophthora infestans – Rev-ista Mexic. Fitopatol. 14: 143-146; 7. Goodwin S. B. 1997. Origin of the A2 Mating Type of Phytophthora

in-festans outside Mexico. – Phytopathology 87: 992-999;

8. Govers F. 2005. Late blight: the perspective from the pathogen. Potato in progress: Science meets prac-tice: 245-254; 9. Gregory P. H. 1983. Some major epi-demics caused by Phytophthora. [W:] Phytophthora: Its Biology, Ecology and Pathology. Erwin D. C., Bart-nicki-Garcia S., Tsao P. H. (ed.). APS Press. Am. Phytopath. Soc.: 271-278; 10. Haas B. J. 2009. Gen-ome sequence and analysis of the Irish potato famine pathogen Phytophthora infestans. – Nature 461: 393-398; 11. Kamoun S. 2003. Molecular genetics of pa-thogenic oomycetes. – Eukaryotic Cell 2: 191-199; 12. Kapsa J. 2004. Zmiany stanu zagrożenia i ochrony plantacji ziemniaka przed zarazą (P. infestans) w

Pol-sce na tle krajów europejskich. – Prog. Plant Prot. 44 (1): 129-137; 13. Lees A. K. 2008. Phytophthora

in-festans populations changes: implications. – Proc.

El-eventh EuroBlight Workshop, PPO-Special Report no. 13, 07.2009: 55-60; 14. Milgroom M. G. 2004. Biolo-gical control of chestnut blight with hypovirulence: a critical analysis. – Ann. Rev. Phytopath. 42: 311-338; 15. Ristaino J. B. 2001. PCR amplification of the Irish potato famine pathogen from historic specimens. – Nature 411: 695-697; 16. Ristaino J. B. 2002.

Track-ing history migrations of the Irish potato famine patho-gen, Phytophthora infestans. – Microbes and Infection 4: 1369-1377; 17. Śliwka J. 2005. Charakterystyka od-porności na Phytophthora infestans (Mont.) de Bary li-ści i bulw ziemniaka w wybranych populacjach diplo-idalnych mieszańców Solanum tuberosum L. – Rozpr. dokt. IHAR Oddz. Młochów; 18. Strona in-ternetowa NCBI Taxonomy Browser http://www.ncbi-.nlm.nih.gov/Taxonomy/, dane na dzień 12.10.2009