Verdens mest kraftfulde anti-svampe kemi får svampepatogener til at selvdestruere

Forskere har opdaget, at den mest udbredte klasse af svampedræbende midler i verden får patogener til at selvdestruere. University of Exeter-ledet forskning kunne hjælpe med at forbedre måder at beskytte fødevaresikkerhed og menneskeliv på.

Svampesygdomme tegner sig for tabet af op til en fjerdedel af verdens afgrøder. De udgør også en risiko for mennesker og kan være dødelige for dem med svækket immunsystem.

Vores stærkeste våben mod svampeplantesygdomme er azolfungicider. Disse kemiske produkter tegner sig for op til en fjerdedel af verdens landbrugsfungicidmarked til en værdi af mere end 3,8 milliarder dollars om året. Antifungale azoler er også meget brugt som behandling mod patogene svampe, som kan være dødelige for mennesker, hvilket øger deres betydning i vores forsøg på at kontrollere svampesygdomme.

Azoler målretter mod enzymer i patogencellen, der producerer kolesterollignende molekyler, kaldet ergosterol. Ergosterol er en vigtig bestanddel af cellulære biomembraner. Azoler nedbryder ergosterol, hvilket resulterer i drab af patogencellen. Men på trods af vigtigheden af ​​azoler ved forskerne kun lidt om den faktiske årsag til patogendød.

I en ny undersøgelse offentliggjort i Nature Communications , University of Exeter forskere har afsløret den cellulære mekanisme, hvorved azoler dræber patogene svampe. Artiklen har titlen "Azoler aktiverer type I og type II programmerede celledødsveje i afgrødepatogene svampe." Medforfattere er Dr. Martin Schuster og Dr. Sreedhar Kilaru ved University of Exeter.

Holdet af forskere, ledet af professor Gero Steinberg, kombinerede levende-celle-billeddannelsestilgange og molekylær genetik for at forstå, hvorfor hæmningen af ​​ergosterolsyntese resulterer i celledød i den afgrødepatogene svamp Zymoseptoria tritic (Z. tritici). Denne svamp forårsager septoria-bladpletter i hvede, en alvorlig sygdom i tempererede klimaer, der skønnes at forårsage mere end 300 millioner dollars om året i omkostninger i Storbritannien alene på grund af tab af høst og sprøjtning med svampemidler.

Exeter-holdet observerede levende Z. tritici-celler, behandlede dem med landbrugsazoler og analyserede det cellulære respons. De viste, at den tidligere accepterede idé om, at azoler dræber patogencellen ved at forårsage perforering af den ydre cellemembran, ikke gælder. I stedet fandt de ud af, at azol-induceret reduktion af ergosterol øger aktiviteten af ​​cellulære mitokondrier, cellens "kraftcenter", der kræves for at producere det cellulære brændstof, der driver alle metaboliske processer i patogencellen.

Selvom det ikke er skadeligt i sig selv at producere mere "brændstof", fører processen til dannelsen af ​​mere giftige biprodukter. Disse biprodukter starter et "selvmord"-program i patogencellen, kaldet apoptose. Derudover udløser reducerede ergosterolniveauer også en anden "selvdestruktionsvej", som får cellen til at spise sine egne kerner og andre vitale organeller - en proces kendt som makroautofagi. Forfatterne viser, at begge celledødsveje understøtter den dødelige aktivitet af azoler. De konkluderer, at azoler driver svampepatogenet til "selvmord" ved at starte selvdestruktion.

Forfatterne fandt den samme mekanisme, som azoler dræber patogene celler i ris-blast-svampen Magnaporthe oryzae. Sygdommen forårsaget af denne svamp dræber op til 30 % af ris, en vigtig fødevareafgrøde for mere end 3,5 milliarder mennesker over hele verden. Holdet testede også andre klinisk relevante anti-svampemidler, der retter sig mod ergosterolbiosyntese, herunder terbinafin, tolfonat og fluconazol. Alle initierede de samme reaktioner i patogencellen, hvilket tyder på, at selvmord er en generel konsekvens af ergosterolbiosyntesehæmmere.

Hovedforfatter professor Gero Steinberg, som har en lærestol i cellebiologi og er direktør for Bioimaging Center ved University of Exeter, sagde:"Vores resultater omskriver den almindelige forståelse af, hvordan azoler dræber svampepatogener. Vi viser, at azoler udløser cellulært 'selvmord' programmer, som resulterer i, at patogenet selvdestruerer. Denne cellulære reaktion opstår efter to dages behandling, hvilket tyder på, at celler når et 'point of no return' efter nogen tids eksponering for azoler. Desværre giver dette patogenet tid til at udvikle resistens mod azoler, hvilket forklarer, hvorfor azolresistens udvikler sig hos svampepatogener, hvilket betyder, at de er mere tilbøjelige til at mislykkes med at dræbe sygdommen hos afgrøder og mennesker.

"Vores arbejde kaster lys over aktiviteten af ​​vores mest udbredte kemiske kontrolmidler i afgrøder og menneskelige patogener over hele verden. Vi håber, at vores resultater viser sig at være nyttige til at optimere kontrolstrategier, der kan redde liv og sikre fødevaresikkerhed for fremtiden. "

Flere oplysninger: Azoler aktiverer type I og type II programmerede celledødsveje i afgrødepatogene svampe, Nature Communications (2024). www.nature.com/articles/s41467-024-48157-9

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af University of Exeter