ARS News Service
Agricultural Research Service, USDA
Jan Suszkiw, (301) 504-1630, jan.suszkiw@ars.usda.gov

Pyrenophora tritici-repentis, which causes tan spot of wheat, wasn't always the worldwide disease threat it is today. Before 1941, its damage was considered minor--that is, until it acquired another fungus' toxin-producing gene.

According to Agricultural Research Service (ARS) plant pathologist Tim Friesen, the exchange illustrates "horizontal gene transfer," a phenomenon that’s been shown to occur in bacteria, but less convincingly so in fungi. Friesen reports the discovery in the journal Nature Genetics along with other scientists from the ARS Red River Valley Agricultural Research Center, Fargo, N.D.; North Dakota State University-Fargo; the Australian Centre for Necrotrophic Fungal Pathogens (ACNFP) at Murdoch University in Perth; and the Institute of Integrative Biology (IISB) in Zurich, Switzerland.

Around 65 years ago, they suggest, Pyrenophora's threadlike growths (mycelia) intertwined with those of a more-virulent fungus, Stagonospora nodorum, perhaps while both occupied the same wheat crop. A connective tube formed, and in the ensuing exchange, Pyrenophora acquired Stagonospora's protein-toxin gene, ToxA.

In 1942, a new mystery disease was reported on U.S. wheat: Pyrenophora’s virulent new form. It spread worldwide, today inflicting major yield losses. How Pyrenophora obtained ToxA has eluded scientists, though--until now.

In 2004, Friesen and Fargo colleagues discovered that a protein toxin produced by Stagonospora interacts with Tsn1, a wheat gene that also confers sensitivity to the toxin produced by Pyrenophora. Then, in 2005, ACNFP collaborator Richard Oliver observed an almost identical ToxA present in Stagonospora. Suspecting a connection, the ARS-ACNFP scientists disabled Stagonospora’s ToxA gene, creating a less-virulent pathogen on susceptible wheat.

In Zurich, IISB scientists screened an international collection of the fungi and found ToxA in 80 percent of the Pyrenophora specimens, and in 20 percent of Stagonospora. Genetic differences for ToxA among the Stagonospora specimens indicate that Stagonospora has been producing the toxin far longer than Pyrenophora.

According to Friesen, the discovery shows that more-virulent plant pathogens can arise from horizontal gene transfer. However, this is a very rare event. This transfer may have occurred once, even though both pathogens have grown on millions of acres of wheat for many years. This work also increases the significance of Tsn1, which is targeted by two different wheat pathogens.

ARS is the U.S. Department of Agriculture's chief scientific research agency.

Los detectives genéticos descubrieron cambios significativos en un hongo

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Jan Suszkiw, (301) 504-1630, jan.suszkiw@ars.usda.gov

El hongo Pyrenophora tritici-repentis, el cual causa la mancha amarilla del trigo, no era siempre la amenaza mundial de enfermedad que es hoy en día. Antes del 1941, su daño fue considerado menor--es decir, hasta que adquirió, de otro hongo, un gen que produce una toxina.

Según el patólogo de plantas Tim Friesen, el intercambio muestra "la transferencia horizontal de genes", un fenómeno que ha sido observado en las bacterias, pero menos convincentemente en los hongos. Friesen reportó el descubrimiento en la revista 'Nature Genetics' (Naturaleza - La Genética), junto con otros científicos del Centro de Investigación Agrícola del Valle del Río Rojo, mantenido por el ARS en Fargo, Dakota del Norte; la Universidad Estatal de Dakota del Norte en Fargo; el Centro Australiano de Patógenos Necrotróficos Fungales (ACNFP por sus siglas en inglés), parte de la Universidad Murdoch en Perth, Australia; y el Instituto de Biología Integrativa (IISB por sus siglas en inglés) en Zurich, Suiza.

Los científicos sugieren que hace como 65 años, los crecimientos de Pyrenophora semejantes a hilos y llamados micelias se entrelazaron con aquellos de un hongo más virulento llamado Stagonospora nodorum. Se piensa que esto ocurrió mientras ambos hongos vivieron en la misma cosecha de trigo. Un tubo conjuntivo se formó, y en el intercambio que ocurrió, Pyrenophora adquirió un gen de Stagonospora. Este gen, el cual produce una toxina de proteína, se llama ToxA.

En el 1942, hubo noticias de una nueva enfermedad misteriosa en trigo: la forma nueva y virulenta de Pyrenophora. Esta enfermedad se extendió por todo el mundo, y hoy en día causa pérdidas mayores en rendimientos. Pero no hubo una solución al misterio de cómo Pyrenophora obtuvo el gen de ToxA--hasta ahora.

En el 2004, Friesen y sus colegas en Fargo descubrieron que una toxina de proteína producida por Stagonospora se relaciona con Tsn1, el cual es un gen de trigo que también causa susceptibilidad a la toxina producida por Pyrenophora. Luego, en el 2005, el colaborador Richard Oliver de ACNFP observó que una forma de ToxA casi idéntica fue presente en Stagonospora. Los científicos del ARS y ACNFP sospecharon que hubo una conexión, e incapacitaron el gen ToxA de Stagonospora, creando un patógeno menos virulento en un trigo susceptible.

En Zurich, los científicos del IISB evaluaron una colección internacional de los hongos y descubrieron ToxA en 80 por ciento de los especímenes de Pyrenophora, y 20 por ciento de aquellos de Stagonospora. Las diferencias genéticas de ToxA entre los especímenes de Stagonospora indican que Stagonospora ha sido produciendo la toxina por mucho más tiempo que Pyrenophora.

Según Friesen, el descubrimiento muestra que patógenos de planta más virulentos pueden desarrollar por la transferencia horizontal de genes. Sin embargo, este es un acontecimiento muy raro. Esta transferencia pudo haber ocurrido solamente una vez, aunque ambos patógenos han crecido en millones de acres de trigo por muchos años. Este trabajo también aumenta la significancia de Tsn1, el cual es susceptible a dos patógenos diferentes que atacan trigo.

ARS es la agencia principal de investigaciones científicas del Departamento de Agricultura de EE.UU.