Forskare har upptäckt att den mest använda klassen av svampdödande medel i världen gör att patogener självförstörs. University of Exeter-ledd forskning kan hjälpa till att förbättra sätten att skydda livsmedelssäkerhet och människoliv.
Svampsjukdomar står för förlusten av upp till en fjärdedel av världens skördar. De utgör också en risk för människor och kan vara dödliga för personer med försvagat immunförsvar.
Våra starkaste vapen mot svampväxtsjukdomar är azolfungicider. Dessa kemiska produkter står för upp till en fjärdedel av världens jordbruksmarknad för svampmedel, värda mer än 3,8 miljarder dollar per år. Antifungala azoler används också i stor utsträckning som behandling mot patogena svampar som kan vara dödliga för människor, vilket ökar deras betydelse i vårt försök att kontrollera svampsjukdomar.
Azoler riktar sig mot enzymer i patogencellen som producerar kolesterolliknande molekyler, kallad ergosterol. Ergosterol är en viktig komponent i cellulära biomembran. Azoler bryter ner ergosterol, vilket resulterar i dödande av patogencellen. Men trots vikten av azoler vet forskarna lite om den faktiska orsaken till patogendöd.
I en ny studie publicerad i Nature Communications , University of Exeter forskare har upptäckt den cellulära mekanismen genom vilken azoler dödar patogena svampar. Uppsatsen har titeln "Azoler aktiverar typ I och typ II programmerade celldödsvägar i grödopatogena svampar." Medförfattare är Dr Martin Schuster och Dr Sreedhar Kilaru vid University of Exeter.
Forskarteamet, ledd av professor Gero Steinberg, kombinerade tillvägagångssätt för levande cellavbildning och molekylär genetik för att förstå varför hämningen av ergosterolsyntes leder till celldöd i den grödepatogena svampen Zymoseptoria tritic (Z. tritici). Denna svamp orsakar septoria-bladfläckar i vete, en allvarlig sjukdom i tempererade klimat, som beräknas orsaka mer än 300 miljoner dollar per år i kostnader enbart i Storbritannien på grund av skördförlust och svampdödande sprutning.
Exeter-teamet observerade levande Z. tritici-celler, behandlade dem med jordbruksazoler och analyserade cellsvaret. De visade att den tidigare accepterade idén att azoler dödar patogencellen genom att orsaka perforering av det yttre cellmembranet inte gäller. Istället fann de att azolinducerad minskning av ergosterol ökar aktiviteten hos cellulära mitokondrier, cellens "kraftverk" som krävs för att producera det cellulära bränslet som driver alla metaboliska processer i patogencellen.
Även om det inte är skadligt i sig att producera mer "bränsle", leder processen till att det bildas mer giftiga biprodukter. Dessa biprodukter initierar ett "självmord"-program i patogencellen, kallat apoptos. Dessutom utlöser reducerade ergosterolnivåer också en andra "självförstörande" väg, som får cellen att äta sina egna kärnor och andra vitala organeller - en process som kallas makroautofagi. Författarna visar att båda celldödsvägarna underbygger den dödliga aktiviteten hos azoler. De drar slutsatsen att azoler driver svamppatogenen till "självmord" genom att initiera självdestruktion.
Författarna fann samma mekanism som azoler dödar patogenceller i rissprängsvampen Magnaporthe oryzae. Sjukdomen som orsakas av denna svamp dödar upp till 30 % av riset, en viktig matgröda för mer än 3,5 miljarder människor över hela världen. Teamet testade också andra kliniskt relevanta anti-svampläkemedel som riktar sig mot ergosterolbiosyntes, inklusive terbinafin, tolfonat och flukonazol. Alla initierade samma svar i patogencellen, vilket tyder på att cellsjälvmord är en allmän konsekvens av ergosterolbiosynteshämmare.
Huvudförfattaren professor Gero Steinberg, som innehar en professur i cellbiologi och är chef för Bioimaging Center vid University of Exeter, sa:"Våra fynd omskriver den gemensamma förståelsen för hur azoler dödar svamppatogener. Vi visar att azoler utlöser cellulärt "självmord". program, som resulterar i att patogenen självförstörs. Denna cellulära reaktion inträffar efter två dagars behandling, vilket tyder på att celler når en "point of no return" efter en tids exponering för azoler. Tyvärr ger detta patogenen tid att utveckla resistens mot azoler, vilket förklarar varför azolresistens ökar hos svamppatogener, vilket innebär att de är mer benägna att misslyckas med att döda sjukdomen hos grödor och människor.
"Vårt arbete belyser aktiviteten hos våra mest använda kemiska kontrollmedel i grödor och mänskliga patogener över hela världen. Vi hoppas att våra resultat visar sig vara användbara för att optimera kontrollstrategier som kan rädda liv och säkra livsmedelssäkerhet för framtiden. "
