В следующий раз, когда вы отправитесь на прогулку между вашими встречами в Zoom, обратите внимание на богатое разнообразие растений на вашем пути. По мере приближения конца лета обязательно обратите внимание на разнообразие симптомов болезней на этих растениях, включая пятна, пятна или нечеткие наросты, вызванные бактериями, вирусами или грибками.
Ключом к выживанию в дикой природе является борьба с инфекцией, и не только один раз. Как и у людей, одна инфекция может оставить растение с длительным иммунитетом, а может и нет.
На самом деле ранняя инфекция может усугубить ситуацию. Новое исследование, проведенное международной группой, в которую входит доцент кафедры биологии Вашингтонского университета в Сент-Луисе, показывает, что инфекция на самом деле делает растение более восприимчивым к вторичной инфекции - как в экспериментах, так и в дикой природе. Результаты опубликованы в выпуске журнала Nature Ecology & Evolution от 31 августа.
«Мы обнаружили, что раннее заражение способствует более позднему заражению», - сказала Рэйчел Пенчиковски, доцент биологии факультета искусств и наук и соавтор исследования. Она провела полевые эксперименты в качестве исследователя с докторской степенью вместе с Анной-Лизой Лайне, старшим автором статьи, в настоящее время работающей в Цюрихском университете.
«И порядок, в котором штаммы патогенов заражают растение, имеет значение», - сказал Пенчиковски. «Некоторые штаммы патогенов могут способствовать заражению более поздними штаммами».
Выводы, полученные в результате серии элегантных экспериментов, в которых показано, как штаммы патогенов естественным образом накапливаются на растениях в течение вегетационного периода, показывают важность понимания взаимодействия между патогенами при разработке стратегий поддержания здоровых популяций сельскохозяйственных культур.
Раннее заражение способствует более позднему заражению
Распространенный придорожный сорняк, Plantago lanceolata произрастает в Европе, где проводилось это исследование, и в Азии; это также обычно встречается в Северной Америке. Заражение возбудителем Podosphaera plantaginis, грибком мучнистой росы, легко заметить невооруженным глазом.
В дикой природе популяции растений подвергаются воздействию и заражаются несколькими штаммами мучнистой росы в течение своей жизни. Авторы задались вопросом, влияет ли предшествующее воздействие одного штамма мучнистой росы на восприимчивость растения ко второму.
Чтобы смоделировать то, что происходит в дикой природе, авторы взяли молодые, здоровые растения и нанесли споры патогенов одного из четырех штаммов патогенов на один лист каждого растения. Остальные листья были временно накрыты полиэтиленовым пакетом.
Инокулированный лист затем накрывали спороустойчивым мешочком на время эксперимента, что предотвращало распространение инфекции между ним и другими листьями. Этот метод работает, потому что мучнистая роса вызывает локальную инфекцию на поверхности листьев, которая не распространяется системно по растению. В остальном идентичные контрольные растения получали ложную инокуляцию вместо спор мучнистой росы.
Затем растения были помещены в обычный сад на большом поле (без местного подорожника или мучнистой росы), где они одновременно подвергались воздействию всех четырех штаммов патогенов.
Пенчиковски и соавтор Флетчер Холлидей, нынешний научный сотрудник лаборатории Лайне, обнаружили, что ни один из четырех штаммов мучнистой росы, инокулированных на растения, не защищал растения от вторичной инфекции. Фактически, предшествующее воздействие мучнистой росы сделало растения более восприимчивыми ко второму заражению мучнистой росой по сравнению с контрольными растениями, ранее не инфицированными.
"Если вы посмотрите на каждый штамм в отдельности, то увидите, что некоторые из штаммов лучше других способствуют более позднему заражению", - сказал Пенчиковски.
"Поскольку сельскохозяйственные культуры также могут подвергаться воздействию различных штаммов патогенов в течение определенного вегетационного периода, понимание того, как различные штаммы патогенов влияют друг на друга, важно для разработки устойчивых стратегий борьбы с болезнями в сельскохозяйственных системах."
В дикую природу
Ученые иногда помещают когорты здоровых, выращенных в теплицах «индикаторных растений» в полевые популяции, чтобы измерить риск заражения патогенами. Делая это с растениями-индикаторами, исследователи могут контролировать генетический фон, возраст и состояние.
Чтобы проверить, как предшествующая инокуляция повлияла на вероятность заражения растений во время эпидемий в диких популяциях, авторы инокулировали растения так же, как и в обычном садовом эксперименте (опять же, с незараженными контрольными растениями для сравнения). За исключением этого времени, они переместили горшечные растения-дозорные в дикие популяции и дождались прибытия естественных спор плесени.
Исследователи обнаружили, что ранее инфицированные контрольные растения чаще заражались вторичной милдью, чем контрольные растения, которые никогда не были инфицированы. Это было правдой, несмотря на то, что растения могли заразиться естественными штаммами патогенов только через ветер.
«Как в нашем обычном саду, так и в наших экспериментах с контрольными растениями мы увидели, что ранее инокулированные растения были более восприимчивы к более позднему заражению», - сказал Холлидей. «Но можем ли мы обнаружить признаки облегчения штаммов патогенов в популяциях диких растений, зараженных естественным путем? Для этого потребуется тщательное исследование динамики диких растений и патогенов».
И в дикую природу ушли ученые - то есть, используя данные о диких популяциях, которые, к счастью, были собраны в предыдущем году.
В ходе интенсивного обследования 13 полевых популяций ученые отслеживали заражение дикими растениями милдью в течение двух месяцев. Они помечали растения, обнаружив заражение плесенью; в остальном их никак не манипулировали, и они всю жизнь росли в поле.
Небольшой участок листа каждого зараженного растения был срезан и доставлен в лабораторию для выявления штаммов плесени, которые заражали растения в разное время в течение вегетационного периода.
Как важно быть на ранней стадии
Штаммы мучнистой росы различаются по своей способности пережить зиму и по времени их репродуктивного цикла.
Некоторые штаммы появляются раньше вегетационного периода и, вероятно, являются теми, которые успешно перезимовали и быстро размножились.
Холлидей углубился в генетические данные, собранные в результате обследований 13 полевых популяций, и обнаружил, что штаммы, обнаруженные в начале сезона, обычно способствуют последующим инфекциям, а штаммы, попавшие в популяции позже в течение сезона, выигрывают от этого облегчения.
«Ранние штаммы - это те, которые определяют ход эпидемий, а также влияют на разнообразие штаммов патогенов, которые собираются в популяциях растений», - сказал Холлидей.
«Другими словами, штаммы, которые весной готовы взяться за дело, могут повлиять как на экологическую, так и на эволюционную динамику взаимодействия растений и патогенов», - добавил Пенчиковски.