Обнаружен новый ген устойчивости к атразину у щирицы водной

Щирица водная десятилетиями находится в "гонке вооружений" с фермерами. Практически каждый раз, когда фермеры атакуют сорняк новым гербицидом, щирица вырабатывает к нему устойчивость, снижая или полностью нивелируя эффективность химиката. Некоторые популяции щирицы эволюционировали в сторону устойчивости к нескольким гербицидам, что делает их невероятно сложными для уничтожения.

Проблему усугубляет тот факт, что щирица может вырабатывать устойчивость как минимум двумя путями. При мишень-опосредованной устойчивости мутация гена изменяет белок, на который нацелен гербицид. Из-за неподходящего сайта связывания белка гербицид становится неэффективным. Плюс такого типа устойчивости в том, что его относительно легко выявить стандартными лабораторными методами.

Метаболическая устойчивость — это другая история. Растения используют один из сотен возможных ферментов для детоксикации химиката, делая его бесполезным. Хотя ученые-сорняковеды из Университета Иллинойса Дин Ричерс, Ронг Ма и Джош Скелтон недавно разработали быстрый и простой тест на метаболическую устойчивость, они все еще не могли определить, какой именно фермент за нее отвечает.

До настоящего момента.

«Мы думаем, что нашли иголку в стоге сена», — говорит Ричерс.

Ричерс и его коллеги сосредоточились на метаболической устойчивости к атразину — химикату, который используется десятилетиями и до сих пор применяется примерно на 80% посевных площадей кукурузы в США, несмотря на растущую устойчивость и обеспокоенность воздействием на окружающую среду.

Из предыдущих исследований команда знала, что устойчивая щирица метаболизирует атразин с помощью класса ферментов, известных как GSTs. «Известно, что растения имеют от 50 до 120 генов GST. Мы хотели выяснить, обусловлена ли устойчивость лишь одним из них, и сможем ли мы его найти», — поясняет Ричерс.

Бывший аспирант Антон Эванс выделил белки-кандидаты GST из щирицы и изучил их экспрессию у устойчивых и чувствительных растений. Один из белков GST был чрезвычайно обилен в устойчивых растениях, но почти отсутствовал в чувствительных. Аспирантка Сара О’Брайен более внимательно изучила ген, кодирующий этот белок GST, и, в частности, его варианты или аллели. Она заметила, что при наличии двух доминантных аллелей этого гена для повреждения растений требовалось более чем в 14 раз превысить рекомендуемую норму внесения атразина.

«У гетерозиготных растений — с одной копией доминантного аллеля — повреждения были намного сильнее. В эксперименте с четырьмя или пятью такими растениями два или три погибали, а другие были угнетены и имели много мертвой ткани. Но гомозиготные устойчивые растения — с двумя копиями доминантного аллеля — выглядели почти так, будто их не опрыскивали», — говорит О’Брайен.

«Растения без доминантного аллеля просто были уничтожены, даже при низких нормах внесения гербицида», — добавляет Ричерс.

Эти доказательства, наряду с более детальными молекулярными данными, дают команде уверенность, что они обнаружили нечто уникальное. «Возможно, это единственный случай, когда мы фактически нашли ген, ответственный за метаболическую устойчивость у двудольного сорняка, в отличие от мишень-опосредованной устойчивости, — объясняет Ричерс, — для любого гербицида».

В перспективе тест на этот ген будет аналогичен тесту на мишень-опосредованную устойчивость к атразину. Новая информация также может быть использована индустрией для разработки новых химикатов для контроля щирицы.

«Если мы знаем ген, его можно потенциально "выключить" и снова сделать растение чувствительным. Можно разработать химическое вещество, ингибирующее GST, которое будет специфично именно для этого одного GST», — говорит Ричерс.