Стеблевая ржавчина. Корончатая ржавчина. Взрыв пшеницы. Мучнистая роса. Эти и подобные им болезни с причудливыми названиями оказывают разрушительное воздействие на фермеров и людей, которые зависят от их урожая. Новый метод поиска генов устойчивости к болезням у диких сородичей одомашненных культур может улучшить наши возможности по борьбе с ними.
В дикой природе скрещивание является одним из способов сохранения генетического разнообразия растений. Одомашненные культуры этого не делают, поэтому у них гораздо меньше генетического разнообразия. Если болезнь может убить одного из них, то, скорее всего, она может убить их всех - поэтому без разнообразных генов устойчивости к болезням одомашненные растения, такие как пшеница и овес, уязвимы к заражению. По мере одомашнивания культур они также становились генетически несхожими со своими дикими родственниками, что препятствует их скрещиванию. Самым большим следствием этого является нестабильность продовольствия: болезни могут быстро уничтожить целый урожай. Например, в Бангладеш пшеничный взрыв - грибок, эндемичный для Южной Америки, - появился в 2016 году и уже нанес серьезный ущерб в регионе мира, где высок процент людей, страдающих от недоедания.
"В большинстве современных интенсивных систем земледелия мы решаем эту проблему с помощью химикатов, - говорит ведущий автор исследования Брэнде Вульф, биотехнолог из Центра Джона Иннеса в Великобритании. Это не очень хорошо для окружающей среды и не всегда эффективно, но других вариантов в настоящее время не так много".
Исследователи сельского хозяйства уже давно ведут активную борьбу с болезнями путем скрещивания домашних культур, таких как пшеница, с дикими родственниками, но для получения коммерчески жизнеспособного штамма требуется более десяти лет. Для этого необходимо выявить устойчивые к болезням аспекты диких растений и попытаться внедрить эти гены в культурные растения - процесс, который может занять несколько поколений селекции.
Команда Вульфа разработала новый метод ускорения этого процесса с помощью технологии под названием AgRenSeq. Это инструмент, который опирается на базу данных информации о генах устойчивости к болезням у диких растений, чтобы найти аналогичные гены у других культур. Он действует как "очки", которые позволяют исследователям посмотреть на весь геном дикого растения, говорит Вульф, и быстро выделить гены, которые они хотят внедрить в одомашненные культуры.
"Было много скепсиса, поэтому очень приятно показать, что это работает", - говорит Вульф. В опубликованной ими работе показано, что исследователи смогли использовать AgRenSeq для быстрого выделения четырех генов устойчивости у дикого родственника одомашненной хлебной пшеницы. "Быстро" - это относительный термин: они сделали эту работу за несколько месяцев, а не за годы, которые потребовались бы при использовании традиционных методов.
"Эта методология действительно позволяет гораздо эффективнее перемещать устойчивость", - говорит Аллан Фритц, агроном из Университета штата Канзас, который не принимал участия в исследовании. Лаборатория Фритца занимается селекцией пшеницы. "Мы знаем, что эти дикие родственники несут важные гены устойчивости, - говорит он. Но геномы этих растений огромны и полны нерелевантной информации, например, транспозонов, говорит Вульф. Новый метод дает исследователям "метки, с помощью которых можно вытащить [генетическую информацию]", - говорит Фриц.
Исследователи могут использовать эту информацию для ускорения темпов традиционного скрещивания или даже объединить ее с технологиями редактирования генов, такими как CRISPR, для более быстрого внедрения устойчивости.
По словам Джо Деборы Хошеле, физиолога растений из Университета Миннесоты, эта технология пока находится на ранней стадии, но она может стать очень важной. "С глобальным изменением климата болезни становятся еще более серьезной проблемой", - говорит она. "Они перемещаются и изменяются гораздо быстрее". Этому есть множество причин: теплые температуры способствуют росту болезней; ураганы могут способствовать распространению болезней, перенося инфекцию в новые места; более сухой климат помогает патогенам дольше оставаться живыми.
Болезни умеют быстро эволюционировать, чтобы воспользоваться преимуществами этих факторов, что и делает их такими успешными. Растениям, с другой стороны, требуется больше времени для адаптации. Хойшель, которая не участвовала в данном исследовании, работает над вспышками заболеваний овса, и она говорит, что ее лаборатория уже обсуждает возможные пути работы с AgRenSeq.
Со временем, надеется Вульф, "мы сможем производить культуры, которые будут иметь иммунитет к определенным заболеваниям".