一日の始まりをコーヒーに頼っている人にとって、コーヒー萎凋病は聞いたこともない最も重大な病気かもしれません。この真菌性疾患は、過去 1 世紀にわたって世界のコーヒー供給に繰り返し影響を及ぼし、その影響はアフリカの農場から世界中のカフェ カウンターにまで及んでいます。

真菌感染症 フザリウム・キシラロイデス 植物の水分輸送能力が阻害され低下すると、コーヒーの木に特徴的な「枯れ」が発生します。この障害により、最終的には植物が破壊されます。

世界で最も壊滅的な植物病原体の一部は、この方法で宿主に感染します。 1990年代以来、コーヒー萎凋病の発生により10億米ドル以上の被害が発生し、無数の農場の閉鎖と国内のコーヒー生産量の劇的な減少につながりました。アフリカ最大の生産国の一つであるウガンダでは、コーヒーの萎凋病が初めて発見されてから数十年が経過した2020年まで、コーヒー生産量は流行前のレベルに達しなかった。そして2023年、研究者らはコートジボワールのすべてのコーヒー栽培地域でコーヒー萎凋病が再発生した証拠を発見した。

植物病原体の遺伝学を研究することは、この病気がなぜ再発するのか、また大規模な発生を防ぐ方法を理解するために重要です。

アフリカにおけるコーヒー萎凋病の盛衰

コーヒー萎凋病の初期の発生はさまざまなコーヒー品種に影響を与えましたが、その後の流行では主に、現在世界市場を支配している 2 つのコーヒー種、アラビカ種とロブスタ種に影響を及ぼしました。

1927 年に初めて確認されたコーヒー萎凋病は、アフリカ西部および中部で栽培されていた多くのコーヒー品種を壊滅させました。農家は1950年代に耐性があるとされるロブスタ作物に切り替えることで真菌と闘ったが、その救済は長くは続かなかった。

この病気は 1970 年代にロブスタ コーヒーで再発生し、アフリカ東部と中央部に広がりました。 1990年代半ばまでに収量は減少し、コンゴ民主共和国などの国々でのコーヒー生産は回復できませんでした。

これとは別に、研究者らは1950年代にエチオピアのアラビカ種コーヒーでこの病気を特定し、1970年代までにそれが蔓延したことを観察した。

コーヒー萎凋病は現在、東アフリカと中央アフリカで低レベルで管理可能なレベルで風土病となっているが、将来この病気が再流行すると、アフリカのコーヒー生産に壊滅的な影響を与える可能性がある。コーヒーの萎れは、アジアやアメリカ大陸の生産者にとっても脅威となっています。

新しいタイプの病気が出現する

コーヒー萎凋病はコーヒーとともに進化しました。過去 1 世紀にわたって、このウイルスは繰り返し出現し、そのたびに異なる種類のコーヒーを攻撃します。しかし、これらの変化は新しいタイプの病気の急速な進化を反映しているのでしょうか、それともまったく別の何かを反映しているのでしょうか?

真菌性疾患は何千年もの間植物を荒らし続けており、発生の最古の記録は聖書の疫病にまで遡ります。人間と同様に、植物にも真菌などの病原体の攻撃から身を守る免疫システムがあります。

ほとんどの真菌による感染の試みは失敗しますが、宿主植物の防御を克服しようとする病原体に対する継続的な進化圧力により、少数の菌が成功します。この進化の軍拡競争では、病原体と宿主は、DNA を遺伝的に変えることによって絶えず相互に適応しています。病気の好不況のサイクルは、一方が他方よりも有利になるときに発生します。

現代農業の台頭により、遺伝的に同一の作物の単一栽培が広まりました。単一栽培は食料生産を大幅に増加させましたが、環境悪化や植物の病気に対する感受性の増加にも寄与しています。

作物育種家が耐病性遺伝子を組み込むことによって単一栽培物を保護しようとする中、殺菌剤やその他の環境に有害な製品が農場で広く使用されています。しかし、数百エーカーの同様の植物に対するこれらの比較的弱い保護は、人々が依存している作物の発生の増加をもたらしました。

おそらく、現代の農業が単一栽培に依存していることで、植物の耐性を克服できる新しいタイプの病原体の進化が可能となり、加速されていると考えられます。その結果、作物は病気の発生に対してより脆弱になります。

真菌株を活性化する

将来の植物の伝染病を回避するには、過去の教訓を理解することが不可欠です。しかし、以前に病気の発生を引き起こした特定の病原菌株は、もはや自然界には存在しないか、大幅に変化しているため、これは困難な場合があります。

コーヒー萎凋病における宿主と病原体の進化的軍拡競争に関する私の研究では、この病気を引き起こした歴史的な菌株を「復活させる」ことでこれらの問題に対処しようとしました。 フザリウム・キシラロイデス。研究者は、以前とその後の発生が異なる種類のコーヒーを標的とした理由についてほとんどわかっていないため、コーヒーの遺伝子変化を調査しました。 F.キシラロイデス それが宿主たちの偏狭な考え方の根底にあるのです。

私は、生きた菌類を保存する培養コレクションである菌類ライブラリーの菌株を使用して、過去 70 年間の大規模なコーヒー萎凋病の発生における歴史的な遺伝的変化を再構築しました。これらのライブラリは長期生存データを保存し、収集時に存在する真菌の遺伝的多様性を反映しています。

病原体が進化の軍拡競争で前進できるかどうかは、その病原体が新しいタイプの遺伝子を生成する能力にかかっています。これは、DNA 配列を変更および再構成することによって、または水平遺伝子伝達と呼ばれるプロセスで生物間で DNA 配列を伝達することによって行うことができます。これらのメカニズムは、病原体が宿主植物に感染してコロニーを形成することを可能にする新しいエフェクター遺伝子を作成することができます。

最初に、私は 1970 年代前後に特にアラビカ種またはロブスタ種のコーヒー木を標的とした大発生に関与した株の 6 つの全ゲノムを配列しました。私はその緊張を感じました F.キシラロイデス アラビカ種とロブスタ種は遺伝的に互いに異なり、これらの違いのほとんどは親から子に受け継がれます。このプロセスは垂直継承と呼ばれます。

種間を飛び越える遺伝子

ただし、多くの領域があることもわかりました F.キシラロイデス ゲノムは水平方向に取得された可能性があります。 F.オキシスポラムバナナやトマトなど 120 以上の作物に感染する世界的な植物病原体。これらには、アラビカ種とロブスタ種のコーヒーの特定の株のゲノムのさまざまな領域が含まれていました。

しかし、これらの変化は新しいエフェクター遺伝子の導入につながったのでしょうか? F.キシラロイデス アラビカ種とロブスタ種のコーヒー植物に特異的に感染する菌株は何ですか?この質問に答えるために、私はまずシーケンスを作成し、組み合わせました。 F.キシラロイデス DNA の長いセグメントを結合した参照ゲノム。次に、この参照ゲノムの配列を決定し、1970 年代以前の他の 3 つの完全なゲノムと比較しました。 F.キシラロイデス 株と追加の歴史的 10 株 フザリウム 病気のコーヒーの木の上やその周囲にも菌株が見られる F.キシラロイデス 感染したアラビカ種コーヒーの木からの株。

病気の原因となる遺伝子が種間で水平移動するという実質的な証拠を発見しました フザリウム。それには、と呼ばれる巨大な遺伝的要素の存在が関係しています。 宇宙船 で フザリウム。これらのいわゆるジャンピング遺伝子は、ゲノム間を移動したり、ゲノム間を移動したりできる独自の分子機構を持っています。毒性、代謝、宿主相互作用に関連する遺伝子など、適応に関与する遺伝子もそれらとともに移動します。科学者は考えます 宇宙船 菌類が環境条件の変化に適応できるようになる可能性がある。

私は以下を含む大きくて非常に類似した遺伝子領域を発見しました。 宇宙船 この疾患に関与する活性エフェクター遺伝子は、 F.オキシスポラム に F.キシラロイデス。重要なのは、異なる系統には異なる遺伝子領域が存在したことです。 F.キシラロイデス アラビカ種とロブスタ種に特有ですが、他の関連種には存在しませんでした。 フザリウム 種。これは、これらの遺伝子が獲得されたことを示しています F.オキシスポラム。

農家に知識を与える

今日、世界の作物生産量の 3 分の 1 が害虫や病気によって失われています。農業の生産性と環境保護の間の緊張を解決することは、将来に対する人類のニーズのバランスをとるために重要です。この課題の中心となるのは、病気の蔓延と新たな発生を減らすことです。

モノカルチャーの一方で、サハラ以南アフリカの小規模な家族経営のコーヒー農園の周囲や内部の多くの植物種は、真菌性病原体が隠れる病気の保有源として機能する可能性があります。これらにはバナナの木や ナス 真菌感染症にかかりやすいトマト科の雑草。

人間の農業行為により、これらの菌類が生息できる人工的なニッチが意図せず作られ、コーヒーの木がバナナの植物と広範囲に接触するようになりました。 ナス 雑草。同じ属の菌類が遺伝物質を繰り返し交換できる場合、植物病原菌が新しい宿主に適応する能力が加速する可能性があります。

コーヒー以外の植物のテスト F.キシラロイデス 感染により、異なる植物種が明らかになる可能性があります。 フザリウム 真菌は接触して遺伝物質を交換します。サハラ以南のアフリカでは、コーヒーの木がバナナの木や雑草と畑を共有していることが多いため、これは重要です。これらの隣接する植物が、遺伝的多様性の新たな供給源として機能する菌類を保有できれば、新たな病気株の促進に役立つ可能性があります。

真菌の宿主として機能する可能性のある植物を特定することで、対象を絞った雑草管理から脆弱な作物を並べて植えることの回避まで、コーヒー植物の病気のリスクを軽減するための実用的な選択肢が農家に提供されます。

この記事は、複雑な世界を理解するのに役立つ事実と信頼できる分析を提供する非営利の独立報道機関である The Conversation から再公開されたものです。作者: リリー・ペック カリフォルニア大学ロサンゼルス校

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この研究は自然環境研究協議会の助成を受けて行われました。資金提供者は、研究の計画、データの収集と分析、出版の決定、あるいはこの論文や原稿の準備において何の役割も果たしていませんでした。