Биохимические пути могут стать ключом к устойчивости к фузариозу колоса
Бледные, сморщенные колосья пшеницы и ячменя — признак фузариоза колоса (Fusarium head blight). Это грибное заболевание не только резко снижает урожай, но и производит токсины, делающие зерно непригодным для людей и животных.
С 1991 по 1996 год болезнь нанесла ущерб урожаю пшеницы в США на $2,6 млрд. В пик эпидемии гриб уничтожил весь урожай пивоваренного ячменя в долинах рек Ред-Ривер и Огайо. USDA называет фузариоз "худшей болезнью растений в США со времен эпидемий ржавчины в 1950-х". С 1990 года потери фермеров превысили $3 млрд. Только в 1993 году в Южной Дакоте ущерб составил около $80 млн.
Несмотря на крупное финансирование исследований, включая U.S. Wheat and Barley Scab Initiative, успехи в борьбе с болезнью ограничены.
Множество хозяев и патогенов
Болезнь могут вызывать несколько патогенов (например, Fusarium graminearum), которые атакуют множество растений-хозяев, включая злаки и кукурузу, что осложняет борьбу.
Споры гриба зимуют в растительных остатках. Даже вспашка не решает проблему, так как гриб выживает в почве. Споры переносятся ветром и брызгами дождя на колос во время цветения. Для заражения нужны теплые, влажные условия. Гриб проникает через открытый цветок, убивает зараженные клетки, блокируя транспорт воды и питательных веществ, и живет на мертвых клетках.
Селекция на устойчивость ведется давно. Самый устойчивый сорт пшеницы Sumai 3 (выпущен в Китае в 1960-х) лишь задерживает развитие болезни, но не иммунен и имеет другие нежелательные характеристики.
Экспрессия генов
Профессор Ян Йен (Yang Yen) исследует молекулярные механизмы болезни, изучая, как грибная инфекция влияет на экспрессию генов пшеницы. Сравнивая самые устойчивые и восприимчивые сорта, он сузил круг с тысяч генов до 608, затем до 47 и, наконец, до трех ключевых генов.
"Эти гены функционируют и в устойчивых, и в восприимчивых сортах. Разницу определяет то, как они реагируют на регуляторные пути, запускаемые грибной инфекцией", — объясняет Йен.
Устойчивость контролируется биохимическими путями двух гормонов роста — жасмонатов и этилена. Обработка восприимчивого сорта этими гормонами перед заражением сделала его устойчивым. Два из трех идентифицированных генов напрямую задействованы в этих путях. Роль третьего гена пока неизвестна, но его подавление в первые 8–60 часов после заражения приводит к развитию болезни.
Благодаря финансированию USDA и South Dakota Wheat Commission были идентифицированы биомаркеры для селекционного скрининга на устойчивость.
Развитие болезни и дальнейшие исследования
Йен выдвигает гипотезу: гриб размягчает клеточную стенку хозяина во время заражения и запускает цепь защитных реакций.
"У устойчивой пшеницы ключевой ген устойчивости может задерживать эту цепь реакций до тех пор, пока ткань хозяина не станет слишком твердой для развития болезни. У восприимчивой пшеницы болезнь заставляет растение снизить экспрессию этого гена, что позволяет грибу закрепиться", — говорит ученый.
Он получил трехлетний грант USDA на $363 000 для проверки этой гипотезы. Дальнейшие задачи — выяснить источник сигнала и то, как гриб подавляет экспрессию гена.
"Фузариоз колоса — результат тесного взаимодействия гриба и хозяина. Нам нужно понять, как происходит это взаимодействие, и определить, какой этап легче всего контролировать, чтобы управлять болезнью", — заключает Ян Йен.