Инновационные генные стеки повышают устойчивость пшеницы к ржавчине

Исследователи из Центра Джона Иннеса помогли в разработке передовых методов генного стекирования для борьбы с растущей угрозой ржавчины пшеницы.

Учёные из CSIRO, национального научного агентства Австралии, возглавили международные усилия по созданию пшеницы с более сильным и потенциально более долговечным уровнем устойчивости к ржавчине путём «стекирования» (объединения) генов устойчивости.

Это представляет собой значительный прогресс по сравнению с традиционными методами селекции пшеницы, где гены устойчивости добавляются по одному.

Исследователи разработали новые генетические технологии, которые объединяют и вставляют пять различных генов устойчивости пшеницы. Такое объединение предотвращает их разделение в последующих поколениях растений при селекции, согласно результатам, опубликованным в Nature Biotechnology.

Ведущий исследователь CSIRO доктор Мик Айлифф заявил: «Наш подход похож на установку пяти замков на дверь — вы делаете проникновение трудным. Тщательные полевые испытания показали, что наш подход с генным стеком обеспечивает полную защиту от целевых патогенов ржавчины».

Пшеница обеспечивает около 20% мирового потребления калорий, что делает защиту урожая жизненно важной для глобальной продовольственной безопасности. Ржавчина злаков также поражает ячмень, овёс, рожь и тритикале.

Поскольку ржавчина — глобальная проблема, потребовалось международное сотрудничество. В команду вошли исследователи из CSIRO, Университета Миннесоты, Орхусского университета, Центра Джона Иннеса, USDA, Синьцзянского университета. Финансирование осуществлял Фонд 2Blades.

Два из пяти генов устойчивости, вошедших в стек, были клонированы учёными с использованием техники MutRenSeq, которая быстро обнаруживает гены устойчивости в пшенице.

Доктор Бранде Вульф из Центра Джона Иннеса, один из разработчиков этой технологии, отметил: «Приятно видеть, что два гена, клонированию которых мы помогли, были использованы в этом первом стеке для пшеницы. Это захватывающе, потому что демонстрирует работоспособность технологии; если возникнет новая эпидемия стеблевой ржавчины, у нас теперь есть потенциальное решение. Для тех, кто против использования ГМ-культур, становится труднее выступать против такого элегантного решения, которое использует гены самой пшеницы новым способом для её защиты».

Будущие генные стеки для пшеницы разрабатываются с использованием инструментов редактирования генома для создания устойчивых культур, которые в некоторых странах (например, в США) могут считаться не-ГМО.

Стеблевая ржавчина пшеницы — историческое заболевание для Великобритании, отсутствовавшее здесь 60 лет, но из-за изменения климата и отсутствия устойчивости у современных сортов пшеницы она представляет собой новую угрозу.

Ржавчина пшеницы может быстро мутировать, что затрудняет быструю реакцию селекционеров с помощью традиционной селекции. Однако несколько генов, собранных вместе в генный стек, могут усилить защиту пшеницы и быть внедрены гораздо быстрее.

Доктор Айлифф заявил, что данное исследование было нацелено на стеблевую ржавчину, но ту же технологию можно использовать для селекции против бурой и жёлтой ржавчины, а также для добавления устойчивости к разным существующим сортам пшеницы.

Он добавил: «Мы ещё не знаем пределов этой новой технологии генного стекинга. В настоящее время у нас есть ещё более крупный генетический стек с восемью генами устойчивости, так что возможна ещё более сильная защита от ржавчины».

Статья «A five-transgene cassette confers broad-spectrum resistance to a fungal rust pathogen in wheat» опубликована в Nature Biotechnology.

Ключевые технологии

Комплекс вспомогательных технологий, разработанных за последние пять лет, устранил некоторые проблемы, связанные с обнаружением и клонированием генов устойчивости к болезням у пшеницы и её диких родственников. Группа доктора Бранде Вульфа в Центре Джона Иннеса разработала эти технологии.

MutRenSeq

Сочетая мутагенез и обогащённое секвенирование генов устойчивости (RenSeq), эта технология снижает стоимость полного секвенирования генома пшеницы, фокусируясь на генах, кодирующих внутриклеточные иммунные рецепторы. Показано, что этот класс генов кодирует гены устойчивости к болезням в 80% из сотен ранее задокументированных случаев. У пшеницы >3000 иммунных рецепторов. Техника привела к быстрому клонированию генов устойчивости к стеблевой ржавчине Sr22, Sr45, Sr26, Sr60 и генов устойчивости к жёлтой ржавчине Yr5a, Yr5b и Yr7.

MutChromSeq

Другой способ снизить сложность генома пшеницы — картировать ген на одну из её 21 хромосом. Благодаря улучшениям в проточной сортировке и очистке хромосом теперь возможно секвенировать отдельные хромосомы почти любого сорта пшеницы. Сочетание мутагенеза с проточной сортировкой хромосом (MutChromSeq) привело к выделению гена устойчивости к мучнистой росе пшеницы Pm2.

AgRenSeq

Эта технология использует собственную генетическую структуру природы, то есть рекомбинации и мутации, накопленные в дикой популяции родственников пшеницы за многие тысячи лет, что позволяет обойти необходимость создания собственных генетических структур, как в MutRenSeq или MutChromSeq. AgRenSeq требует генетически разнообразной панели, за которой следует RenSeq и фенотипирование. Технология сочетает обнаружение и клонирование в одном процессе, drastically сокращая сроки и стоимость клонирования генов устойчивости к болезням. После настройки и накопления панель можно использовать снова и снова против разных патогенов и их изолятов. AgRenSeq привела к быстрому клонированию Sr46 и идентификации кандидата для SrTA1662.

«С этими технологиями некоторые ключевые препятствия и загадки, связанные с обнаружением и клонированием генов устойчивости к болезням у пшеницы и её диких родственников, были устранены», — говорит доктор Вульф. — «Улучшенные технологии сборки генома пшеницы и методы трансформации, вероятно, значительно снизят дальнейшие барьеры в ближайшие 2-4 года. Это обеспечит сырьё для создания и тестирования стеков трансгенов с множественной устойчивостью не только против стеблевой ржавчины, но и против многих других основных болезней пшеницы и других важных культур».