地址在作物的真菌疾病日益增长的紧迫性

2022年10月,世界卫生组织(世卫组织)公布了第一份真菌病原体感染人类,并警告说,某些日益丰富的致病真菌菌株获得抵抗已知的抗真菌¹。虽然每年有150万多人死于真菌疾病,世界卫生组织的名单是第一个全球努力系统优先监测、研究和发展,为真菌病原体和公共卫生干预措施。

然而真菌对人类健康构成另一个主要威胁——一个已经收到了甚至比感染人们的关注更少。

数以百计的真菌疾病影响到168种作物列为重要的人类营养的食品和农业组织联合国(FAO)。尽管广泛喷洒杀菌剂和种植品种培育更多的疾病有弹性,种植者全球损失10%到23%的作物的真菌疾病,每年收获后,另一个10 - 20%²。事实上,五个最重要的热量作物—水稻,小麦,玉米(玉米)、大豆、土豆,可以受稻瘟病菌的影响,小麦锈病、玉米黑粉病,大豆锈病和马铃薯晚疫病病(由水引起模具oomycete),分别。从这些真菌和损失相当于足够的食物为大约6亿到40亿人提供2000卡路里每天一年³。这种损失可能会增加在一个变暖的世界^4,5。

更多的认识世界的困境导致作物的真菌疾病是必要的,是更多的政府和私营部门投资于作物真菌研究。

自适应潜力释放

137年在2019年的害虫和病原体(排名根据影响),真菌主导第一到第六的地方疾病影响的每一个世界上最重要的5卡路里作物⁶。例如,小麦种植更多的土地面积比其他作物,与生产的所有全球每年消耗的热量的18%左右。尽管减排实践,当前全球农作物损失从感染Septoria tritici满地致病真菌Zymoseptoriatritici小麦的主要病原体在温带地区,范围从5%到50%⁷。小麦锈病造成的损失柄锈菌茎杆常常参加更多的热带气候,范围从10%到70%的收成³。大宗商品作物,如香蕉和咖啡,这在许多国家产生收入用于购买热量作物,也容易受到真菌疾病。

细菌国防用来抗枯萎病

真菌病原体非常有效。它们产生大量的孢子。一些物种的孢子可以存在于土壤和保持可行的长达40年。在其他物种,空中孢子可以分散在距离从几米到数百甚至数千公里。小麦锈病,例如,产生空气中的孢子,可以旅游大洲之间⁸,尽管许多其他真菌产生的孢子数量更多的本地,促进疾病传播内部和相邻字段。

真菌也表现出非凡的程度的遗传变异和可塑性⁹。在过去十年左右的时间,全基因组研究揭示广泛的真菌遗传多样性和物种之间。尽管一些真菌病原体进行频繁的性重组,基因变异可以通过其他过程,生成了。这些包括突变赋予变化的转座的元素(在基因组DNA序列,可以改变他们的地位),有丝分裂(无性繁殖)重组和水平转移遗传物质——在某些情况下,真菌物种之间,真菌和细菌之间或植物。

一场完美风暴

当前的问题出现,因为真菌遇到了现代农业实践的适应性。

最单一栽培需要大面积的基因的作物。(世界上最大的单一领域有超过14000公顷的基因统一在加拿大小麦。)这些提供理想的饲养和繁殖多产,飞速发展的生物群体。添加到这个,越来越广泛使用的抗真菌治疗的目标一个真菌细胞过程(例如,一种物质叫唑类目标所需酶真菌细胞膜的形成)导致杀菌剂耐药性的出现。

唑类、strobilurins和琥珀酸脱氢酶抑制剂(所有的)single-target-site抗真菌治疗占全球杀菌剂市场的77%以上¹⁰。此外,在2021年至2028年之间,杀菌剂市场预计将每年增长大约4.9%——在很大程度上要归功于增加使用在低收入国家。

一个悬而未决的问题是如何影响作物的真菌疾病就会受到气候变化的影响。虽然对植物病原真菌主要对气候变化的响应,北半球气温的上升将推动新的温度公差真菌病原体的进化,以及建立病原体之前多局限于南方地区^4,5。事实上,自1990年代以来,真菌病原体被移动向极每年约7公里⁴。种植者已经报道小麦锈病感染——这通常发生在热带地区——在爱尔兰和英格兰。

增加温度也可能影响植物和微生物之间的相互作用,包括内生真菌(生活在植物的共生体)。植物内生真菌可以成为致病无害改变他们的生理机能,以应对环境压力¹¹的研究已经证明了模型的植物拟南芥芥¹²。此外,耐高温真菌可以增加机会主义的土壤中病菌跳跃宿主的可能性,并成为在动物或人类致病¹³。

与食品体系的压力来自人口增长添加到这些问题,在未来30年,全球人口预计将增长到97亿——人类粮食产量有望实现前所未有的挑战。

早期的承诺

更好的保护世界农作物的真菌疾病需要一个更加统一的方法比到目前为止取得了与农民之间的紧密关系,农业,植物育种者,植物病害生物学家、政府和决策者,甚至慈善资助者。

它不再是足够的关注作物生产(如清算或燃烧的植物组织),传统的植物培育方法单一植物抗病基因,或主要single-target-site杀真菌剂的喷洒。种植者和其他利益相关者必须利用各种技术创新更有效的监控、管理和减少植物病害。几种方法已经被开发或使用限制疾病的影响和保护农作物产量;相结合,这些方法可以帮助农民维持收益率在未来几十年。

发现和开发抗真菌。杀菌剂的发展已基本农药农作物保护行业的策划。到目前为止,它依赖于偶然发现后大规模筛选化合物的抗真菌治疗,如制药工业的副产品,自1980年代以来,在已知化合物的合成化学变异,如strobilurins和唑类。

然而,是时候摆脱依赖single-target-site杀真菌剂,并寻找化合物目标病原体的多个进程。2020年,埃克塞特大学跨学科研究团队,英国,透露了一个有趣的候选分子——一种亲脂性的阳离子(C₁₈中小企业₂⁺一些真菌),目标进程(包括能量运送分子ATP的合成,以及程序性细胞死亡)¹⁴。这个分子提供了重要的作物保护Septoria tritici斑点在小麦、水稻稻瘟病¹³在香蕉和巴拿马TR4疾病¹⁵。

增加在农业领域的多样性。种植种子混合结合几种作物品种携带不同的抗性基因可以提供了一个重要的方法来减缓病原体的进化。

2022年,大约25%的小麦总产量在丹麦使用混合品种,选择因为他们相似的增长速度和携带抗病基因的互补。此协作风险(包括育种者、农民、环保人士和科学家)提供了有前景的结果而言,减少的严重程度Septoria tritici底色和黄色和棕色锈在混合品种不会导致产量损失(l . Nistrup Jørgensen,珀耳斯。通讯)。

事实上,这些品种可以减少疾病的传播和侵蚀crop-resistance基因¹⁶。

早期的疾病检测和监测。人工智能(AI)、卫星、远程遥感工具(比如无人机),激励说服农民报告疾病和community-science项目公众参与植物疾病的报告(在作物和野生物种)开始产生更有效的真菌疾病的监测。

合作的科学家计划称为OpenWheatBlast旨在收集新兴小麦上的研究成果和数据爆炸的疾病。快速和简单的数据共享允许发现,导致更快的疾病控制(见go.nature.com/42s25a3)。同时,Cape公民科学项目,一项由南非Stellenbosch大学的研究人员要求对科学感兴趣的人寻找oomycete疫霉种虫害在南非植被(https://citsci.co.za/disease/)——创建记录的存在和传播的病原体。

收集的数据通过人工智能,社区——科学项目等可能与疾病记录和整理到集成,例如,PlantwisePlus计划(见go.nature.com/3mlgxnn)由国际农业和生物科学中心的一个非盈利的政府间组织。获得的结果也可以结合气候数据从气象台(例如,看到go.nature.com/3ukk5hu),因此通知建设模型,预测植物真菌疾病会在何时何地发生⁵。反过来,更准确的疾病预测可以触发作物的早期干预措施来抵消损失。

抗病性和植物免疫力。传统植物育种实践涉及给定品种引进一个或两个基因产生耐药性的一个特定的疾病,称为R基因。尽管病原体可以克服这个R-gene-mediated抵抗几年后,它可能需要10 - 20年从研究者揭露R基因农业公司销售新的品种。将两个或两个以上的R基因(称为R基因通过控股公司或叠加)可以扩大抵抗病原体的多样性。然而领域研究已经证实,阻力通过这意味着如何是短暂的¹⁷。

大多数R基因编码蛋白nucleotide-binding网站和富亮氨酸重复区域,在植物细胞作为受体。这些受体识别特定pathogen-produced分子。然而,植物病原体具有早期检测系统,包括胞外受体蛋白质识别病原体分子激发子,几丁质和葡聚糖等。(几丁质和葡聚糖存在于真菌细胞壁)。这些受体被称为模式识别受体(PRRs)。这种类型的“免疫增强”可以通过r基因结合新R-gene-edited品种或通过控股公司使用传统育种提供更持久和更广泛的阻力主要的病原体。

利用这种方法的重要障碍是快速和有效的方式——尤其是欧洲——是公众和政治阻力转基因植物的使用。然而,今年3月,英国基因技术(精密繁殖)的行为通过成为法律;这将使gene-edited作物的开发和营销在英国。原则上,实践,比如“免疫增强”,结合整合两个或两个以上的R基因导入作物,可以赋予更持久和更广泛的抗病性。

利用生物制剂和作物生命学。生物制剂是一个广泛的产品类别的来自生物体。正如益生菌在医学的兴趣增长在过去的十年里,也有兴趣在农作物保护生物制剂的使用。这是证明的预计投资由政府和利益相关者。

策略目前正在探索包括植物病原体的剥削的生活拮抗剂,如真菌木霉属spp,与天然抗菌化合物和喷洒作物,如多氧菌素,抑制几丁质合成的(例如,多氧菌素D锌盐)¹⁸。木霉属菌株可以间接地阻碍真菌植物病原体,例如营养和空间竞争,或直接由寄生于真菌。在过去的十年中,研究人员已经确定了其他真菌和细菌内生菌可以帮助抑制疾病。

原住民知识是可持续的食物系统的关键

植物生长不孤独——他们与不同的微生物群落,可参与植物的发展,强调宽容和抗病性。在过去的十年里,新方法分析揭示了微生物有益微生物的存在网络。发现一些微生物物种总是同时出现,而别人不做,知识联盟的设计至关重要的微生物可以应用于土壤,促进植物生长,提高疾病的保护。的确,未来的挑战将包括翻译这些发现从实验室设置字段的作物,并确保合成,有益微生物群落持续一旦他们介绍,而不影响土著微生物群,或成为致病¹⁸。

RNA植物和真菌之间的交易。2013年,一个研究小组表明,小rna (srna)灰色霉真菌葡萄孢属灰质可以沉默植物宿主基因参与免疫¹⁹。一些研究人员表明,双链rna(极)和srna真菌可以保护蔬菜和水果对灰霉病病长达十天^20.。然而,rna(通常封装在微小的囊泡)不仅从真菌转移到主机——植物宿主也派遣囊泡抑制真菌毒力基因。

越来越多的研究人员和新成立的科技公司正在利用这些天然RNA干扰(RNAi)建立交易系统,以更好地保护作物免受真菌疾病。目前,研究人员正在探索两个可能使用rna的方法。其中一个,叫做host-induced基因沉默或高,依赖于基因改良的作物。但是这种方法是漫长的、昂贵的和不能实现在转基因植物的许多国家仍然是被禁止的。因此,目前主要关注spray-induced基因沉默或团体,srna或dsrna直接应用于植物,作为一种新型、环保和葡萄糖改良农作物保护策略²¹。

几项研究已经记录了RNAi的功效提供抵抗常见的真菌病原体²²。然而,研究仍然需要理解这些外部rna是如何吸收和运输在植物和真菌细胞之间。此外,尽管应用程序中正在取得进展的rna作物,对分子的稳定性问题仍然存在。

全球植物健康的身体

2020年1月至2023年1月,英国研究和创新(UKRI) COVID-19研究委员会拨款约6.86亿美元,而且几乎在全球COVID-19发表225000篇论文。(我们在斯高帕斯进行搜索和网络科学的数据库,使用“COVID”和“SARS-CoV-2”作为关键词。)在同一时期,真菌作物研究UKRI花了约3000万美元,在全球范围内,在农作物和真菌疾病发表的4000篇论文。(斯高帕斯和网络科学的关键词是“作物”和“真菌疾病”)。鉴于食品安全产生健康和福祉,农业和农民可以说一样对人类健康至关重要的医学和卫生保健提供者。

解决真菌作物疾病带来的威胁人类健康需要更大的参与问题,和更多的投资在研究政府、慈善组织和私营企业。

国际植物保护公约(IPPC)是一个由粮农组织支持,旨在保护世界植物资源免受病原体。它比其他更广为人知的身体应对威胁人类福祉,比如谁。的180个会员国核准该条约的签署国必须共同努力,改变这一现状。

因为病毒和细菌控制作为人类疾病的特工,这些微生物收到更多的关注比真菌。然而在作物、真菌疾病是目前最重要的代理。真菌病原体感染人类的的列表是一个一步将更多地关注这平凡但可以理解微生物群。但解决粮食安全的最大威胁,因此对人类健康,必须包括倾向于真菌有毁灭性的影响,并将继续拥有,世界粮食供应。