植物标本室告诉我们关于作物病原体的信息

自从我们驯化了第一批用于粮食生产的植物以来，人类就被拖入了存在于我们的作物和它们的病原体之间的古老的军备竞赛中……

一种作物病原体对人类社会的影响可能是可怕的，特别是当我们的作物没有自然保护的时候。最能说明这一点的例子是19世纪中期马铃薯流行导致了爱尔兰大饥荒。罪魁祸首是一种名为疫霉(Phytophthora infestans)的美国微生物，它乘船越过大西洋，到达欧洲大陆，连续好几年摧毁了整个马铃薯收成。这种影响在爱尔兰是最具破坏性的，那里的人们高度依赖一种马铃薯品种，这种马铃薯对病原体没有很强的天然抵抗力。大约有一百万人死于饥饿，另有一百多万人被迫离开这个国家。饥荒使爱尔兰的人口减少了25%，直到今天，这个国家的人口规模还没有恢复到原来的水平。

然而，如果认为农作物病原体造成的饥饿威胁是过去的问题，那就大错特错了。根据联合国粮食及农业组织(粮农组织)的数据，全球至少有20%的粮食产量因植物病害而损失，全球有8亿多人长期营养不良。此外，第二次世界大战以来的贸易全球化，加上缺乏彻底的疾病控制，使当地病原体传播到世界各个角落。而现在，随着气候变化的威胁越来越近，面对疾病的农业的未来变得更加不确定。然而，简单地根除病原体实际上是不可能的，而且在生态上是不负责任的。要为我们提供更可持续的方法来对抗作物疾病和饥饿，并让我们更好地应对即将到来的变化，首先要彻底了解植物病原体是如何传播、定植和适应宿主的，这样我们的农业系统才能始终领先于疾病一步。为此，作物病原体及其传播的历史是一个很好的起点。

然而，研究植物病原体的进化史并追踪其入侵途径一直是困难的，因为历史上的作物病害记录在这方面很少。此外，这些记录往往提供关于疾病传播的误导性信息，因为可能需要很长时间才能发现病原体的存在。这意味着它真正到达的时间和随后对新环境的适应可能比历史文献所显示的要早几年。然而，近年来，基因测序技术取得了巨大的飞跃，现在已经可以快速、廉价和准确地对各种生物(甚至是死亡生物)的整个基因组进行测序。科学家们已经开发出复杂的方法，从已经死亡数千年的组织中提取剩余的DNA，并取得了惊人的发现。例如;通过从尼安德特人骨头中提取的几微克DNA，人们发现，我们智人实际上与另一种原始人混在一起。几十年来，这样的想法一直被认为是不可能的。虽然大多数古代DNA研究集中在人类和其他动物身上，但最近科学家们开始为这一有前途的遗传学领域寻找其他应用。

要想见证人类这种具有很长世代跨度的生物的重大进化变化，你需要回到过去，至少在几个世纪或几千年的时间里对它们进行研究。另一方面，微生物是代际跨度短得多的生物。在他们的进化背景下，时间是扭曲的:对我们来说，100年的变化可能相当于几千年的进化。有了这个想法，科学家们开始从世界各地黑暗、尘土飞扬的植物园图书馆里藏着的古老植物标本的枯叶中提取微生物病原体的DNA。事实上，多亏了17、18和19世纪的植物学家，我们有了一个宏伟的植物收藏，涵盖了所有现存的和许多灭绝的各种形式的植物物种:老的和年轻的，高的和小的，健康的和生病的。对植物标本中历史微生物的DNA测序揭示了我们无法通过任何其他方式获得的植物病原体信息。先驱者的研究主要集中在疫霉上，并追踪了最初的菌株和将其带到欧洲的入侵路线，无论它走到哪里，都在播下死亡和绝望。

通过蒙彼利埃大学，我有机会亲自探索古代遗传学、植物标本馆标本和病原体历史这个令人兴奋的领域。为此，我的目的地是一个非常特殊的地方:位于印度洋中部的法国小岛拉拉西乌姆岛。在那里，农业与发展研究所的几位科学家开始研究受感染的柑橘植物标本室样本，以发现更多关于细菌病原体柑橘黄单胞菌(Xanthomonas citri，简称Xac)的信息。尽管由于欧盟严格的边境控制和检疫政策，这种微生物在欧洲是不存在的，但在世界其他地方，这种微生物是一种讨厌的东西，它会导致柑橘类植物的果实和叶子受损，并导致果实过早脱落，从而使果实无法食用和销售。当我到达拉拉西乌姆岛时，人们对这种病原体知之甚少:人们认为它起源于亚洲，并在过去一个半世纪里传播到了世界其他地方。但它是如何以及何时到达这些地方的，包括La r union本身，却不得而知;也不清楚这种病毒的传播是否受到了人类贸易和运输的促进。科学家们也不知道它能多快地适应和进化。然而，这些东西都被记录在它内部的“基因组”书中，它比世界上任何历史文献都揭示了更多的信息。

获得几十年前死亡微生物的DNA序列并不是一件容易的事。项目开始的前两个半月，我一直呆在实验室里，拼命避免现代Xac样本的污染，并测试了多种方法，以从死亡组织中获取尽可能多的DNA。拿回序列后，我们又花了一个月的时间来清理和整理严重受损的数据。与此同时，我也充分享受了La r union的自然奇观。

作为一个年轻的岛屿，它被一个凶猛的火山的暴力塑造和塑造，对于那些喜欢漫步和徒步旅行的人来说，这是一个奇怪的小天堂。在狂暴的自然力量的作用下，这里的地貌伤痕累累，山坡从海岸陡然上升，达到令人眩晕的3000米高，然后陡然落入三叶草状的破火山口，这些破火山口是在50万年前火山崩溃时形成的。虽然海岸已经高度城市化，但岛屿的内部仍然是野生的。陡峭的悬崖、深邃的峡谷、突兀的山峰和令人印象深刻的直壁火山口，为各种各样的自然群落创造了很多定居的机会:草原、森林、丛林、河流和瀑布——同时使人类很难到达。在岛的东南端，一座年轻的、非常活跃的小弟弟，大约在50万年前突然出现，它是现在世界上最活跃的火山之一。这里的风景也千变万化，当你爬得越来越高，进入龙口时，凉爽的绿色草原绵延成广阔的红色沙滩平原。一想到自己置身于阿尔卑斯的大草原、塔图因的平原、中土世界的森林和侏罗纪公园的丛林之中，而这仅仅是一块63公里长的土地，这真是一种超现实的感觉。

西拉奥斯火山的火山口位于拉拉西乌恩的中心，是50万年前主火山崩塌的结果。

回顾过去，很难决定在La r union看到的所有奇妙的事情中，哪一个给我留下了最深的印象。是那只跃入空中几米高的座头鲸呢，还是我站在两个火山口之间的山脊上所看到的两个环抱的世界呢?是那掩藏在火山口之间、生机勃勃、笼罩在雾中的壮丽原始丛林吗?或者从白色的沙滩上看到银河;或者是一个巨大的血月划过天空的可怕景象?如果一定要选的话，我想应该是4月的一个晚上，当岛上的火山爆发时，熔岩流从受伤的地面上喷涌而出。我们脚下的颤抖和咆哮，灼热的熔岩喷涌而出的深深的红色裂缝，以及缓慢增长的红色液体石头的舌头向大海滚动，使我意识到在地球深处隐藏着一种奇怪的强大力量，这种力量可以轻易地摧毁生命，同时又能孕育生命。尽管在我眼前被吐到地面上的是同一个地球，但这是迄今为止我一生中所看到和感受到的最离奇、最超现实的事情。

这座50万年前的火山位于拉拉西乌姆东南部，是世界上最活跃的火山之一。在这里，我们看到它的主要陨石坑，le Dolomieu，在后面，以及更小和更年轻的陨石坑Formica Leo在前面，它被认为是在18世纪中期形成的。

当我在周末见证这些壮观的自然景观时，我逐渐被获得科学成果的奇妙感觉所吸引，并在一周内对我们的学习系统Xac有了更好的了解。一旦我们的历史DNA序列准备好进行分析，我们将它们与来自世界各地的当代Xac菌株的DNA序列配对。这揭示了历史和现代菌株之间的遗传关系，揭开了掩盖其历史的帷幕的一角。我们的分析证实了历史文献的建议;柑橘黄单胞菌确实原产于亚洲。然而，历史文献不能准确地报告病原体到达新领土的日期。有了足够大的样本量和可用的历史基因组，我们就能够估计出在南印度洋岛屿上定居的菌株:科摩罗、马约特岛、毛里求斯和拉拉马齐乌本身。我们的分析表明，这种细菌在1850年左右首先到达毛里求斯和拉西乌姆。奇怪的是，这一数字在奴隶制废除后不久就下降了，奴隶制的废除导致甘蔗田的劳动力大量流失，而甘蔗田在很大程度上推动了这两个岛屿的经济。为了取代已经获得自由的奴隶，法国和英国殖民者从其他殖民地带来了大批工人，其中许多人来自印度和中国。 Although we have no direct proof, one could speculate that it was this big migration wave that brought the first Xanthomonas citri to the Indian Ocean, as the migrants carried plants and seeds with them.

bsamulove的原始森林位于两个火山口之间的高原上。过去的火山活动，这里的高海拔和雾气带来的湿度共同造就了这片生物多样性惊人的热带丛林。

另一个令人惊讶的发现是La r的Xac菌株与另一个法国岛屿马提尼克岛之间的密切遗传关系。然而，马提尼克岛位于加勒比海中部，与拉拉西乌恩岛相隔半个地球。那么，这两种菌株怎么会如此密切相关呢?一种可能性是，Xac是通过人口贩运和贸易被运送到马提尼克岛的，这在两个法国岛屿之间建立了一个快速的联系。因此，我们的研究结果表明，人类的流动性可能在病原体的传播中发挥了重要作用，并再次证实了对作物进行彻底的边境控制和检疫政策的重要性。

你可能会问，这些基础研究还能如何造福社会?除了创建作物疾病的历史记录外，这种系统发育研究可以有直接的应用。例如，我们不仅能够确定柑橘黄单胞菌到达南印度洋的时间，而且还能够估计其基因组的平均突变率。这是对Xac基因组发生突变的速度的一种衡量，因此也是对它能够进化的速度的一种衡量。这些措施在设计对抗这种疾病的策略时非常有用:例如，它让我们知道它能多快地适应和克服一种农药。由于这些知识，我们可以确保我们总是领先病原体一步，在永恒的军备竞赛中，自从我们的狩猎采集祖先开始种植第一批作物以来，我们就发现自己陷入了僵局。

在la runion最高的山峰，雪峰和周围的火山口上观看日出。在前面，从很久以前就消失了的较小的，已灭绝的陨石坑在整个景观中涌现出来。这张照片是在火山脚下长满草的乡村平原上拍摄的。在这里，牛在吃草，橡树在生长，仿佛欧洲的一小块土地被带到这个遥远的岛屿上。

在我到达La r union 5个月后，我再次踏上了前往机场的路上，随身带着我的项目科学报告和一堆精彩的难忘回忆作为额外的行李。最重要的是，我感到非常幸运，我有机会去那里旅行，探索这个岛屿的美丽和神奇的现象，同时也了解了农作物病原体的进化，以及隐藏在世界各地数以百万计的植物标本馆样本中难以想象的潜力。现在我们有了基因研究的工具，一个全新的适应和进化的世界向我们敞开了大门，当我们面临由病原体、气候变化或其他任何原因造成的农业危机时，它肯定会提供答案和应用。最值得感谢的是过去几个世纪以来所有的植物学家，尽管他们没有意识到自己工作的真正价值，但他们知道如何珍惜关于我们周围世界的基本知识的积累。这是我在la r union工作期间学到的重要经验之一;仅仅为了好奇心而收集有关自然界的信息和知识永远不会是徒劳的，因为人们永远不知道将来我们会发现它有什么用途。在这方面，植物标本馆的潜力是不可估量的。如果只有少数几个历史菌株能够阐明柑橘黄单胞菌进化和传播的关键方面，你能想象我们能从几百年前所有植物学家留给我们的巨大的自然图书馆中学到什么吗?