Coffee crops are dying from a fungus with species-jumping genes – researchers are ‘resurrecting’ their genomes to understand how and why

Pour tous ceux qui dépendent du café pour commencer leur journée, la maladie du flétrissement du café est peut-être la maladie la plus importante dont vous n’avez jamais entendu parler. Cette maladie fongique a remodelé à plusieurs reprises l’approvisionnement mondial en café au cours du siècle dernier, avec des conséquences qui s’étendent des fermes africaines aux comptoirs des cafés du monde entier.

Infection par le champignon Fusarium xylarioides entraîne un « flétrissement » caractéristique des plants de café en bloquant et en réduisant la capacité de la plante à transporter l’eau. Ce blocage finit par tuer la plante.

Certains des pathogènes végétaux les plus destructeurs au monde infectent ainsi leurs hôtes. Depuis les années 1990, les épidémies de flétrissement du café ont coûté plus d’un milliard de dollars, forcé d’innombrables fermes à fermer et provoqué une baisse spectaculaire de la production nationale de café. En Ouganda, l’un des plus grands producteurs d’Afrique, la production de café n’a retrouvé son niveau d’avant l’épidémie qu’en 2020, des décennies après que le flétrissement du café y ait été détecté pour la première fois. Et en 2023, des chercheurs ont découvert que la maladie du flétrissement du café avait refait surface dans toutes les régions productrices de café de Côte d’Ivoire.

L’étude de la génétique des agents pathogènes des plantes est cruciale pour comprendre pourquoi cette maladie continue de réapparaître et comment prévenir une autre épidémie majeure.

Augmentation et diminution de la maladie du flétrissement du caféier en Afrique

Alors que les premières épidémies de flétrissement du caféier ont touché un large éventail de types de café, les épidémies ultérieures ont principalement touché les deux espèces de café qui dominent aujourd’hui les marchés mondiaux : l’arabica et le Robusta.

Identifiée pour la première fois en 1927, la maladie du flétrissement du café a décimé plusieurs variétés de café cultivées en Afrique occidentale et centrale. Bien que les agriculteurs aient combattu le champignon en se tournant vers des cultures de Robusta prétendument résistantes dans les années 1950, le répit fut de courte durée.

La maladie est réapparue dans les années 1970 sur le café Robusta, se propageant à travers l’Afrique orientale et centrale. Au milieu des années 1990, les rendements s’étaient effondrés et la production de café ne pouvait pas se redresser dans des pays comme la République démocratique du Congo.

Par ailleurs, des chercheurs ont identifié la maladie sur le café arabica en Éthiopie dans les années 1950 et l’ont observée se propager dans les années 1970.

Bien que la maladie du flétrissement du café soit actuellement endémique à des niveaux faibles et gérables en Afrique orientale et centrale, toute résurgence future de la maladie pourrait être catastrophique pour la production de café africaine. Le flétrissement du café constitue également une menace pour les producteurs d’Asie et des Amériques.

De nouveaux types de maladies apparaissent

La maladie du flétrissement du café a évolué parallèlement au café lui-même. Au cours du siècle dernier, il a réapparu à plusieurs reprises, attaquant à chaque fois différents types de café. Mais ces changements reflètent-ils l’évolution rapide de nouveaux types de maladies, ou bien autre chose ?

Les maladies fongiques ont dévasté les plantes pendant des millénaires, les premières épidémies datant des fléaux bibliques. Comme les humains, les plantes possèdent un système immunitaire qui les protège contre les attaques d’agents pathogènes comme les champignons.

Bien que la plupart des tentatives d’infection fongiques échouent, un petit nombre réussissent grâce à la pression évolutive constante exercée sur les agents pathogènes pour vaincre les défenses de la plante hôte. Dans cette course aux armements évolutive, les agents pathogènes et les hôtes s’adaptent continuellement les uns aux autres en modifiant génétiquement leur ADN. Des cycles d’expansion et de récession de la maladie se produisent lorsque l’un prend l’avantage sur l’autre.

L’essor de l’agriculture moderne a conduit à des monocultures généralisées de cultures génétiquement uniformes. Si les monocultures ont considérablement stimulé la production alimentaire, elles ont également contribué à la dégradation de l’environnement et à une vulnérabilité accrue des plantes aux maladies.

Les sélectionneurs de cultures ont tenté de protéger les monocultures en introduisant des gènes de résistance aux maladies, les exploitations agricoles appliquant largement des fongicides et d’autres produits nocifs pour l’environnement. Mais ces protections relativement faibles pour des centaines d’acres de plantes identiques ont entraîné des épidémies décimant les cultures dont dépendent les gens.

Il est probable que la dépendance de l’agriculture moderne à l’égard des monocultures ait permis et accéléré l’évolution de nouveaux types d’agents pathogènes capables de vaincre la résistance des plantes. En conséquence, les cultures deviennent plus sensibles aux épidémies.

Ressusciter des souches fongiques

Comprendre les leçons du passé est essentiel pour éviter de futures pandémies végétales. Mais cela peut être difficile, car les souches pathogènes spécifiques qui ont provoqué des épidémies précédentes peuvent ne plus exister dans la nature ou avoir considérablement changé.

Dans mes recherches sur la course aux armements évolutive entre l’hôte et l’agent pathogène dans la maladie du flétrissement du caféier, j’ai cherché à résoudre ces problèmes en « ressuscitant » les souches historiques du champignon à l’origine de la maladie, Fusarium xylarioides. Les chercheurs savent peu de choses sur les raisons pour lesquelles les épidémies précédentes et ultérieures ont ciblé différents types de café. J’ai donc exploré les changements génétiques dans F. xylarioides qui sous-tendent ce rétrécissement de ses hôtes.

J’ai reconstitué les changements génétiques historiques dans les principales épidémies de flétrissement du café au cours des sept dernières décennies en utilisant des souches d’une bibliothèque de champignons – des collections de cultures qui préservent les champignons vivants. Ces bibliothèques stockent des données vivantes à long terme et reflètent la diversité génétique fongique présente au moment de la collecte.

La question de savoir si un agent pathogène prendra le dessus dans la course aux armements évolutive dépend de sa capacité à générer de nouveaux types de gènes. Il peut le faire soit en modifiant et en réorganisant sa séquence d’ADN, soit en déplaçant des séquences d’ADN entre organismes dans le cadre d’un processus appelé transfert horizontal de gènes. Ces mécanismes peuvent créer de nouveaux gènes effecteurs permettant aux agents pathogènes d’infecter et de coloniser une plante hôte.

Initialement, j’ai séquencé six génomes entiers de souches impliquées dans des épidémies antérieures aux années 1970 ainsi que dans des épidémies ultérieures ciblant spécifiquement les caféiers Arabica ou Robusta. J’ai trouvé que les souches de F. xylarioides spécifiques à l’Arabica ou au Robusta différaient génétiquement les uns des autres, la plupart de ces différences étant héritées du parent à la progéniture. Ce processus est appelé héritage vertical.

Des gènes qui sautent entre les espèces

Cependant, j’ai également constaté que plusieurs régions du F. xylarioides génome ont été potentiellement acquis horizontalement à partir de F. oxysporumun phytopathogène mondial qui infecte plus de 120 cultures, dont les bananes et les tomates. Celles-ci comprenaient différentes régions du génome de souches spécifiques au café Arabica et Robusta.

Mais ces changements ont-ils introduit de nouveaux gènes effecteurs dans le F. xylarioides souches qui infectent spécifiquement les caféiers Arabica et Robusta ? Pour répondre à cette question, j’ai d’abord séquencé et assemblé le premier F. xylarioides génome de référence, assemblant de longues étendues d’ADN. J’ai ensuite séquencé et comparé ce génome de référence aux génomes entiers de trois autres génomes d’avant les années 1970. F. xylarioides souches et 10 historiques supplémentaires Fusarium souches trouvées sur ou autour des caféiers malades, ainsi que F. xylarioides souches de plants de caféier arabica infectés.

J’ai trouvé des preuves substantielles d’un transfert horizontal de gènes pathogènes entre espèces de Fusarium. Cela inclut la présence de composants génétiques géants appelés Vaisseaux spatiaux dans Fusarium. Ces gènes dits sauteurs portent leur propre machinerie moléculaire, leur permettant de se déplacer entre les génomes ou entre eux. Les gènes impliqués dans l’adaptation, comme ceux liés à la virulence, au métabolisme ou à l’interaction avec l’hôte, se déplacent également avec eux. Les scientifiques pensent Vaisseaux spatiaux peut potentiellement permettre aux champignons de s’adapter aux conditions environnementales changeantes.

J’ai découvert que de grandes régions génétiques très similaires, notamment Vaisseaux spatiaux et les gènes effecteurs actifs impliqués dans la maladie, étaient passés de F. oxysporum à F. xylarioides. Il est important de noter que différentes régions génétiques étaient présentes dans les souches de F. xylarioides spécifiques à l’arabica et au Robusta, mais ils étaient absents des autres espèces apparentées. Fusarium espèces. Cela suggère que ces gènes ont été acquis à partir de F. oxysporum.

Donner des connaissances aux agriculteurs

Aujourd’hui, un tiers de tous les rendements agricoles mondiaux sont perdus à cause des ravageurs et des maladies. Il est important de concilier la tension entre productivité agricole et protection de l’environnement pour équilibrer les besoins futurs de l’humanité. La réduction de la propagation des maladies et des nouvelles épidémies est au cœur de ce défi.

À l’inverse des monocultures, de nombreuses espèces végétales entourant et au sein des petites plantations de café familiales d’Afrique subsaharienne peuvent agir comme des réservoirs de maladies, où peuvent se cacher des champignons pathogènes. Il s’agit notamment des bananiers et Solanum mauvaises herbes de la famille des tomates sensibles aux infections fongiques.

Les pratiques agricoles humaines ont peut-être créé par inadvertance une niche artificielle pour ces champignons, les caféiers étant mis en contact généralisé avec les bananiers et Solanum mauvaises herbes. Si les champignons du même genre peuvent échanger fréquemment du matériel génétique, cela pourrait accélérer la capacité des agents pathogènes des plantes à s’adapter à de nouveaux hôtes.

Tester des plantes autres que le caféier F. xylarioides l’infection pourrait révéler des espèces végétales alternatives là où différentes Fusarium les champignons entrent en contact et échangent du matériel génétique. Cela est important car dans toute l’Afrique subsaharienne, les caféiers partagent souvent des champs avec des bananiers et des mauvaises herbes. Si ces plantes voisines peuvent héberger des champignons qui agissent comme de nouvelles sources de variation génétique, elles pourraient contribuer à alimenter de nouvelles souches de maladies.

L’identification des plantes qui peuvent héberger des champignons pourrait offrir aux agriculteurs des options pratiques pour réduire le risque de maladie des plants de café, allant de la gestion ciblée des mauvaises herbes à l’évitement de la plantation côte à côte de cultures vulnérables.

Cet article est republié par The Conversation, une organisation de presse indépendante à but non lucratif qui vous présente des faits et des analyses fiables pour vous aider à donner un sens à notre monde complexe. Il a été écrit par : Lily Peck, Université de Californie, Los Angeles

En savoir plus:

Cette recherche a été financée par le Conseil de recherche sur l’environnement naturel. Les bailleurs de fonds n’ont joué aucun rôle dans la conception de l’étude, la collecte et l’analyse des données, la décision de publication ou la préparation de cet essai ou de tout manuscrit.