Experts in plant pathology from Wageningen University & Research have published new research results that are so remarkable and unexpected that they will require changes to be made to teaching material and computer models related to plant pathology. The scientists have found proof that ‘weak’ types of plant fungi which cannot cause disease in resistant plants do have sex, allowing maintenance of their genes in populations. This means that the ‘strong’ types which can kill resistant plants not rapidly dominate. This extend the longevity of resistant varieties.
The scientists made their discovery while studying septoria leaf blotch, the most harmful wheat disease in Europe and North Africa. Plant breeders develop wheat varieties that are resistant to the disease. Scientists previously thought that the fungus that causes the disease (Zymoseptoria tritici) would quickly be able to circumvent this resistance as only the ‘extra strong’ virulent fungus types could reproduce on resistant plants. But this is not the case. Fungus types that cannot infect resistant plants circumvent the problem by having sex.
Resistant weatspecies preservere longer
Gert Kema, professor in tropical phytopathology at Wageningen University & Research who studies the fungus already for over 20 years and leader of the team, is enthusiastic about the positive impact of the new insights: “The sexual reproduction of the fungal types which cannot infect the resistant plants is a mechanism of the fungus Zymoseptoria to retain their genes in fungal populations for a long time. This slows down epidemics and extends the longevity of resistant wheat varieties. This is good news. No sudden breakdown of resistance, but a gradual decrease. We have no found the mechanisms explain what we see in practice”.
The common line of thought was that fungal spores which end up on a resistant plant can only produce offspring if the plant is affected, thereby allowing the fungus to reproduce. This would result in an extremely fast selection of virulent fungal strains that can circumvent the resistance of wheat plants and cause major epidemics. This also occurs in other fungal diseases, such as rusts on wheat and is called “boom and bust” cycles.
In the case of the septoria disease in wheat, however, it was found that the fraction of virulent fungal lines increases slower than expected. This is good news as it means that the resistant wheat varieties last longer and have significantly extended value for food security. The slow decline of resistances against the septoria fungus has been an enigma to plant pathogen experts for over 15 years.
Secret sex life of fungus
The Wageningen scientists found that neither the ability to infect plants nor chemical fungicides can stop sex of the fungus. They collaborated with theoretical epidemiologists and computer model experts at Rothamsted Research to translate these biological discoveries into models predicting the rate of an epidemic. Although the scientist have never seen sex in the fungus, the genetic analyses proof the mechanism: the ‘weak’ spores which cannot infect the plant (the so-called avirulent spores) are in fact able to produce male gametes (fungal sperm) and can therefore reproduce.
Thus the female reproductive cells of virulent individuals are exclusively fertilised by male reproductive cells of avirulent fungal strains. This makes part of the offspring – the spores – avirulent too. Although these avirulent spores are, in turn, unable to infect resistant wheat plants, they are able to produce male sperm and partake in sex. As a result, the genes that establish avirulence remain in the fungal population for a long time and significantly extend the value of resistant wheat varieties for food security.
Long-term resistance in agriculture
The mathematical model based on this observation describes this long-term resistance in agricultural systems, and also explains observations in natural ecosystems which had previously remained inexplicable. With fungicides something similar happens and results in a rapid generation and dissemination of strains that are incurable by the fungicides.
As Z. tritici is a model for a large group of fungal plant pathogens, the discovered principles likely apply to many other plant diseases.
Lesboeken en computermodellen in plantenziektenkunde moeten op de schop
Experts in de plantenziektenkunde van Wageningen University & Research publiceren vandaag resultaten die zo opvallend en onverwacht zijn, dat de lesboeken en de computermodellen in de plantenziektenkunde aangepast zullen moeten worden. De onderzoekers vonden bewijs dat ‘zwakke’ types van plantenschimmels, die resistente planten niet ziek kunnen maken, wél voor nageslacht kunnen zorgen. Dergelijke ‘zwakke’ types blijven daardoor langer voor komen dan gedacht. De ‘sterke types’, die ook resistente planten ziek kunnen maken, krijgen dus niet snel de overhand. Resistente rassen blijven daardoor lang waardevol: de resistentie wordt niet snel doorbroken. De nieuwe inzichten worden vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Nature Genetics.
Resistente plantenrassen zullen minder snel doorbroken worden dan eerder gedacht
De onderzoekers deden hun ontdekking in Septoria bladvlekkenziekte, de schadelijkste ziekte van tarwe in Europa en Noord-Afrika. Plantenveredelaars ontwikkelen tarwe-rassen die resistent zijn tegen de ziekte. Tot nu toe dachten wetenschappers dat de schimmel die deze ziekte veroorzaakt (Zymoseptoria tritici) die resistentie snel zou kunnen doorbreken, doordat alleen ‘extra sterke’, virulente schimmeltypes op resistente planten voor nageslacht zouden kunnen zorgen. Maar dat blijkt niet het geval: ook schimmeltypes die de resistentie níét kunnen doorbreken en de planten niet ziek kunnen maken, kunnen op resistente tarweplanten voor nageslacht zorgen.
Resistente tarwerassen houden langer stand
Gert Kema, hoogleraar tropische fytopathologie bij Wageningen University & Research, is enthousiast over de positieve consequenties van de nieuwe inzichten. Kema: “Doordat ook schimmeltypes die de resistentie níét kunnen doorbreken, op resistente tarweplanten wél voor nageslacht kunnen zorgen, blijven er in Zymoseptoria schimmelpopulaties heel lang individuen aanwezig die níet extra virulent zijn. De resistente tarwerassen kunnen daardoor extra lang stand houden.”
De gangbare gedachtegang, die ook is verwerkt in lesboeken en wetenschappelijke computermodellen, is echter dat een schimmelspore die op een resistente plant terecht komt, alléén voor nageslacht kan zorgen als de plant wordt aangetast en de schimmel zich zo kan reproduceren. Dat zou leiden tot een razendsnelle selectie van virulente individuen die de resistentie van de tarweplanten kunnen doorbreken, waardoor heftige epidemieën ontstaan. Dat gebeurt ook bij andere soorten schimmelziekten, zoals roesten op tarwe.
In het geval van de septoria-ziekte bij tarwe werd al waargenomen dat de toename van virulente schimmel-lijnen trager ging dan verwacht. Dat is mooi, want de resistente tarwerassen houden zo langer stand dan verwacht en zijn daarmee langer waardevol voor de voedselzekerheid. Maar dat trage doorbreken van resistenties tegen de septoria-schimmel zorgde al meer dan vijftien jaar voor hoofdbrekens bij plantenziektenkundigen.
Geheim seksleven van schimmel
De Wageningse onderzoekers werkten onder andere samen met computermodellen-experts van Rothamsted Research, die in het zelfde nummer van Nature Genetics publiceren over het ‘cloneren’ van een resistentiegen tegen septoria.
Tegelijk met hun ontdekking over de vermeerdering van avirulente schimmels op resistente rassen hebben de onderzoekers indirect bewijs gevonden voor een nog onbekend “seksleven” van de schimmel. Het bewijs is indirect omdat de onderzoekers het de schimmel nooit echt hebben zien doen. Maar uit genetische analyses blijken de ‘zwakke’ sporen die de planten niet kunnen infecteren (de zogenaamde avirulente sporen) wél mannelijke geslachtscellen kunnen maken, en zo voor nageslacht kunnen zorgen.
Langdurige resistentie in landbouwsystemen
Als er ook een spore van een virulente schimmelstam op een plant komt, kan deze de tarwe-plant infecteren en zowel mannelijke als vrouwelijke geslachtscellen maken. De vrouwelijke geslachtscellen blijken dan exclusief bevrucht te worden door mannelijke geslachtscellen van avirulente schimmelstammen. Een deel van het nageslacht, de sporen, zal daardoor weer avirulent zijn. Die avirulente sporen kunnen op hun beurt de resistente tarweplanten weer niet infecteren, maar wél mannelijke geslachtscellen maken. Zo blijven de genen die voor avirulentie zorgen heel lang in de schimmelpopulatie aanwezig en houden resistente tarwerassen extra lang hun waarde voor de voedselzekerheid. Het wiskundige model dat gebaseerd is op deze waarneming beschrijft deze langdurige resistentie in landbouwsystemen, maar verklaart ook waarnemingen in natuurlijke ecosystemen die tot nu toe onverklaarbaar waren.
De onderzoekers hebben de geldigheid van de nieuwe theorie ook getest met een abiotische stress factor. Bij proeven waarbij gekruist werd tussen stammen van de schimmel die wel of niet tegen een fungicide kunnen trad exact hetzelfde fenomeen op. Hiermee is dus een breedwerkend fenomeen ontdekt dat waarschijnlijk in veel andere schimmels die plantenziekten veroorzaken ook optreedt.
Topics
Species
