Fusarium xylarioides, een bodemschimmel die de "koffieverwelkingsziekte" veroorzaakt en die in het verleden aanzienlijke schade aan koffiegewassen heeft toegebracht. Er waren uitbraken van de ziekte in de jaren 1920 die op de juiste manier werden beheerd. De ziekte kwam echter na verloop van tijd weer terug, wat leidde tot uitbraken die ernstige schade aan de oogst veroorzaakten. Eerdere studies hadden aangetoond dat de veroorzakende schimmelsoort mogelijk is geëvolueerd door genen van verwante soorten te verwerven. Een studie die op 5 december 2024 werd gepubliceerd, heeft bevestigd dat de heropleving van uitbraken van koffieverwelkingsziekte te wijten was aan horizontale genoverdrachten van de verwante schimmelsoort Fusarium oxysporum naar de veroorzakende soort Fusarium xylarioides, waardoor de veroorzakende schimmelsoort kon evolueren en geschikte eigenschappen kon verwerven om de gewassen te infecteren, wat leidde tot heropleving van uitbraken en schade aan koffieplanten.
Bij genetische manipulatie wordt een nieuw gen of DNA kunstmatig in een cel van een organisme overgebracht met behulp van vectoren zoals plasmiden of gemodificeerde virussen. Op die manier wordt een organisme voorzien van een nieuwe eigenschap.
In de natuur vindt genoverdracht of transmissie van genetische informatie plaats bij voortplanting, verticaal van ouders op nakomelingen, van generatie op generatie. Dit is een veelvoorkomend kenmerk bij eukaryoten, waardoor ze variatie kunnen verwerven voor aanpassing en evolutie. Bij prokaryoten, zoals bacteriën, wordt genetisch materiaal echter horizontaal (of lateraal) overgedragen tussen organismen van dezelfde generatie, zonder dat er sprake is van voortplanting. Dit wordt horizontale genoverdracht (HGT) genoemd en is de enige manier waarop bacteriën nieuwe genen kunnen verwerven om zich aan te passen aan negatieve selectiedruk en te evolueren om te overleven. Dit kan gebeuren door overdracht van DNA uit de omgeving en de integratie ervan in bacterieel chromosoom of plasmide (transformatie). Genen kunnen ook horizontaal worden overgedragen van de ene bacterie naar de andere door bacterie-infecterend virus of bacteriofagen (transductie), of door directe horizontale overdracht van genen van een donorbacteriecel naar een ontvangende cel via sex pilus (conjugatie).
Hoewel voornamelijk waargenomen bij prokaryoten, wordt horizontale genoverdracht ook geassocieerd met eukaryoten. Endosymbiose is bekend een rol te hebben gespeeld in de eukaryote evolutie door genoverdracht tussen bacteriën en eukaryote genen. Er zijn verschillende gevallen van eukaryote-eukaryote genoverdracht gedocumenteerd.
Het fenomeen van horizontale genoverdracht is belangrijk omdat het bijdraagt aan evolutie. Dit is bijvoorbeeld verantwoordelijk voor de ontwikkeling van antibioticaresistente/multiresistente bacteriestammen, wat een groot probleem voor de volksgezondheid is. In de landbouw wordt al lang vermoed dat horizontale genoverdracht tussen verwante schimmelsoorten een rol speelt bij het opnieuw opduiken van uitbraken van koffieverwelkingsziekte.
Ziekte van koffieverwelking
Koffie is een belangrijk commercieel gewas. De wereldwijde marktwaarde wordt geschat op ongeveer $ 223 miljard. De koffieplant behoort tot het geslacht Coffea. Er zijn veel soorten, maar Arabica- en Robusta-soorten zijn het populairst en zijn verantwoordelijk voor het grootste deel van de wereldwijde productie. Coffea arabica goed is voor 60-80% van de wereldwijde koffieproductie, terwijl Coffea Canephora (algemeen bekend als Coffea robusta) bedraagt ongeveer 20-40%.
Koffieverwelkingsziekte wordt veroorzaakt door een in de bodem aanwezige schimmel Fusarium xylarioides die via de wortels van het gewas binnendringt om het xyleem te koloniseren en de celwanden af te breken voor voedingsstoffen. Het blokkeert de wateropname, wat leidt tot verwelking van de planten. De verwante schimmel Fusarium oxysporum is ook een bodemgebonden pathogeen die zich verspreidt via besmette grond en verantwoordelijk is voor verwelkingsziekte in veel gewassen, zoals de Panamaziekte in bananen, vaatverwelkingsziekte in tomaten, etc. F. oxysporum leeft op andere planten (zoals bananen) die samen met koffie worden gekweekt voor schaduw, maar deelt koffie als gastheer met F. xylarioides.
Sinds de jaren twintig van de vorige eeuw hebben de koffiegewassen in Afrika te kampen gehad met periodieke uitbraken van verwelkingsziekte met schadelijke gevolgen voor de koffie productie en het levensonderhoud van boeren, met name in Ethiopië en Centraal-Afrika. De eerste uitbraken in de jaren 1920 werden succesvol beheerd met behulp van geschikte middelen, maar de ziekte stak in de jaren 2000 weer de kop op. Heeft de veroorzakende schimmel Fusarium xylarioides evolutie ondergaan na de eerste uitbraken in de jaren 1920 om het vermogen om koffieplanten te infecteren te vergroten, wat leidt tot heropleving van uitbraken? Er waren aanwijzingen uit studies dat F. xylarioides verworven genen om het infectievermogen te vergroten.
Een historisch genomisch onderzoek dat in 2021 werd gepubliceerd, ondersteunde het idee dat de arabica- en robusta-koffieplanten gedeeltelijk verschillende effectorgenen hebben verworven via horizontale overdracht van F. oxysporum. Effectorgenen coderen moleculen die betrokken zijn bij het ontstaan van ziekten. Deze genen worden gedurende de levenscyclus van schimmels tot expressie gebracht om het ziekteproces te ondersteunen.
In de recente studie die op 5 december 2024 werd gepubliceerd, voerden onderzoekers een vergelijkende genomische analyse uit van 13 historische stammen van F. oxysporum om te begrijpen hoe de schimmel die verwelkingsziekte veroorzaakt, is geëvolueerd en zich heeft aangepast aan zijn gastkoffieplanten. Er werd ontdekt dat F. Xylarioides heeft vier verschillende afstammingslijnen: één aangepast aan arabica koffieplanten, één aangepast aan robusta koffieplanten en twee historische afstammingslijnen die leefden op verwante koffiesoorten. Verder hadden deze stammen cruciale genen verworven van de verwante F. oxysporum, waardoor de ziekteverwekkende F. xylarioides om de celwanden van koffieplanten af te breken en verwelkingsziekte te veroorzaken. De horizontale genoverdracht van eukaryoot naar eukaryoot van F. oxysporum naar F. xylarioides waardoor de eerste de koffieplanten effectief kon infecteren waardoor de koffieverwelkingsziekte opnieuw de kop op kan steken.
Dit inzicht in hoe de ziekte ontstaat, kan nuttig zijn bij het verfijnen van landbouwpraktijken en het effectiever bestrijden van plantenziekten.
***
Referenties:
- University of Colorado Denver. Horizontale genoverdracht – activiteitengids. Beschikbaar op https://www.ucdenver.edu/docs/librariesprovider132/a-sync_sl/genetics/upload-2/bacterial-genetics/horizontal-gene-transfer-activity-guide.pdf
- Keeling, P., Palmer, J. Horizontale genoverdracht in eukaryotische evolutie. Nat Rev Genet 9, 605–618 (2008). https://doi.org/10.1038/nrg2386
- Peck, LD, et al. Historische genomica onthult de evolutionaire mechanismen achter meerdere uitbraken van de gastheerspecifieke koffieverwelkingsziekteverwekker Fusarium xylarioides. BMC Genomics 22, 404 (2021). Gepubliceerd: 04 juni 2021. DOI: https://doi.org/10.1186/s12864-021-07700-4
- Peck LD, et al. Horizontale overdrachten tussen schimmelsoorten van Fusarium droegen bij aan opeenvolgende uitbraken van koffieverwelkingsziekte. PLoS Biology. Gepubliceerd: 5 december 2024. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002480
***
