Биологи разработали новую стратегию защиты сельскохозяйственных культур от инфекций

Исследователи из Университета Торонто успешно протестировали новую стратегию для выявления генетических ресурсов, критически важных в борьбе с патогенами растений, такими как бактерии, грибы и вирусы, которые поражают и уничтожают продовольственные культуры по всему миру.

"До 40% мирового урожая ежегодно теряется из-за вредителей и патогенов, таких как бактерии, вирусы и другие болезнетворные микроорганизмы", — сказал Дэвид Гуттман, соавтор исследования, опубликованного в Science. "В Канаде патогены пяти основных культур вызывают ежегодные потери примерно в 3,2 млрд канадских долларов, даже без значительных вспышек".

Сосредоточившись на почти безграничном арсенале генов, связанных с болезнями, доступных патогенам, и защитных механизмах растений, команда не только получила новые данные о том, как растения выживают под постоянными атаками, но и разработала стратегию, которая в будущем может использоваться для защиты здоровья любых видов, выращиваемых для производства пищи.

"Мы хотели понять, как относительно долгоживущие растения защищаются от очень быстро эволюционирующих патогенов, почему болезни встречаются так редко, несмотря на постоянные атаки, и почему одомашненные культуры гораздо более восприимчивы к патогенам, чем дикие виды", — пояснил Гуттман.

Чтобы ответить на эти вопросы, исследователи изучили, как одно растение может отражать атаки распространенного бактериального патогена культур. Они начали с характеристики глобального разнообразия важного класса белков патогена — эффекторов.

"Эффекторы играют ключевую роль в развитии болезни, так как эволюционировали для усиления способности патогенов атаковать хозяина. К счастью, растения эволюционировали контрзащиту в форме иммунных рецепторов, которые могут распознавать определенные эффекторы", — сказал соавтор Даррелл Десво. "Растение способно запустить иммунный ответ, который обычно останавливает инфекцию, если у него есть специфический рецептор, распознающий конкретный эффектор. Это взаимодействие лежит в основе почти всей селекции сельскохозяйственных культур на устойчивость".

Ход исследования и ключевые результаты

Команда секвенировала геномы примерно 500 штаммов бактерии Pseudomonas syringae (P. syringae), вызывающей болезни почти у всех основных культур.

"Из этих геномов мы идентифицировали около 15 000 эффекторов, принадлежащих к 70 различным семействам", — сказал Гуттман. "Затем мы сократили это разнообразие, выбрав 530 эффекторов, представляющих их глобальную вариативность".

Исследователи синтезировали эти эффекторы и поместили их в особо вредоносный штамм P. syringae, который вызывает болезнь у растения Arabidopsis thaliana (A. thaliana), широко используемого в биологических исследованиях. Инфицируя растение каждым отдельным эффектором, они увидели, сколько из 530 эффекторов вызывают защитный иммунный ответ.

Результаты оказались неожиданными:

• Более 11% эффекторов вызывали иммунный ответ.
• Почти 97% всех штаммов P. syringae несут по крайней мере один эффектор, запускающий иммунитет.
• Были идентифицированы новые иммунные рецепторы растений, распознающие эти эффекторы.
• Почти 95% всех штаммов P. syringae могут быть заблокированы всего двумя иммунными рецепторами A. thaliana.

Значение для сельского хозяйства

Результаты проливают свет на то, как растения выживают под постоянными атаками, и предоставляют новый подход для идентификации новых иммунных рецепторов растений — дефицитного генетического ресурса в сельскохозяйственной селекции.

"В то время как дикие виды растений имеют разнообразный набор иммунных рецепторов, большинство одомашненных культур потеряли большую часть этого иммунного разнообразия из-за интенсивного искусственного отбора", — отметил Гуттман. "Наш подход позволяет быстро идентифицировать новые иммунные рецепторы у диких родственников культур, которые затем можно перенести в элитные сельскохозяйственные линии с помощью традиционной селекции, создавая сорта с большей способностью противостоять патогенам".