Обнаружен ген, дающий томатам устойчивость к бактериальной пятнистости

Бактериальная пятнистость, снижающая урожайность и качество плодов, становится всё большей проблемой для томатов в последние пять лет. Поскольку виновник — бактерия Pseudomonas syringae — предпочитает прохладный и влажный климат, посевы в таких регионах, как штат Нью-Йорк, особенно уязвимы.

Исследование в Boyce Thompson Institute под руководством аспиранток Каролины Мазо-Молины и Саманты Майнеро и кураторством профессора Грега Мартина может это изменить. Их работа, опубликованная в августовском номере The Plant Journal, обнаружила первый известный ген, обеспечивающий устойчивость к конкретному штамму "race 1" бактерии, вызывающей пятнистость.

Другой ген устойчивости, Pto, который обеспечивает устойчивость к штаммам Pseudomonas syringae "race 0", используется уже более 25 лет. Однако посевы остаются уязвимыми для всё более распространённого штамма "race 1", что приводит к значительным потерям для производителей.

С открытием нового гена, который исследователи назвали Pseudomonas tomato race 1 (Ptr1), ущерб от бактериальной пятнистости может скоро уйти в прошлое.

"Мы сейчас работаем с селекционерами, чтобы внедрить ген Ptr1 в сорта томатов, которые уже имеют Pto, — объясняет Мартин, также профессор Школы интегративной науки о растениях Корнеллского университета. — Если это сделать, то вы получите устойчивость ко всем известным бактериям, вызывающим пятнистость".

Естественный отбор и удача

Проект начался в 2015 году после случайной вспышки болезни на одной из исследовательских ферм Корнелла, где сотрудник BTI Джим Джованнони изучал качество плодов томата.

"Пятнистость уничтожила весь их опытный участок, кроме двух растений, — объясняет Мартин. — Оба этих растения оказались носителями гена устойчивости Ptr1. Это было замечательное совпадение естественного отбора и удачи".

Оба выживших растения содержали ген, полученный от Solanum lycopersicoides — дикого родственника культурного томата. Собрав семена растений и изучив закономерности наследования, команда определила, что за устойчивость отвечает единственный участок на одной хромосоме (работа опубликована в Molecular Plant-Microbe Interactions в 2019 г.). В этой последней статье они идентифицировали конкретный ген в этом регионе, который и обеспечивает устойчивость к расе 1 — ген Ptr1.

Мазо-Молина описала волнение от идентификации гена: "Когда мы нашли Ptr1, я всегда говорила, что это 'может быть тот самый ген' или 'возможно, это он'. Но в какой-то момент я смогла сказать себе: 'Это он. Не стоит сомневаться'".

Механизм действия

Ptr1 кодирует белок, который косвенно обнаруживает присутствие патогенного белка под названием AvrRpt2. Как у яблони, так и у популярного модельного растения Arabidopsis есть гены, кодирующие белки, которые также распознают тот же бактериальный белок.

"Три белка совершенно разные, — говорит Мартин. — Нет никакого сходства. Это похоже на пример конвергентной эволюции — независимые решения у разных растений одной и той же проблемы".

"Поскольку обнаружение AvrRpt2 эволюционировало несколько раз в истории, белок AvrRpt2, вероятно, играет ключевую роль в способности патогена заражать растения", — говорит Мартин.

Следующие шаги

Теперь, когда ген идентифицирован, команда сосредоточена на разработке сортов томатов, несущих ген Ptr1.

"Дикий вид, в котором Ptr1 встречается естественным образом, очень трудно скрещивать с культурными томатами, — объясняет Майнеро. — Мы не можем просто использовать традиционные методы селекции".

К счастью, есть другой путь.

"Дефектная форма гена уже присутствует во многих сортах томатов, — говорит Мартин, — естественные мутации сделали его неработоспособным. Существует новый тип технологии редактирования генов под названием CRISPR Prime Editing, который может позволить нам исправить этот дефектный ген".

Майнеро планирует работать над проектом CRISPR Prime Editing, а Мазо-Молина сосредоточится на понимании молекулярного механизма действия Ptr1.

Мартин подчеркивает, что сотрудничество между Майнеро и Мазо-Молиной было ключом к успеху проекта: "Это отличный пример сотрудничества внутри лаборатории между двумя разными её членами. Они работали как единая команда".