Новый метод мобильного мониторинга позволяет быстро отслеживать стеблевую ржавчину пшеницы
Ученые разработали новый метод мобильного мониторинга для быстрой диагностики одного из старейших врагов сельского хозяйства — стеблевой ржавчины пшеницы.
С помощью портативного устройства для секвенирования ДНК они могут определить точный штамм грибка ржавчины в поле фермера всего за 48 часов после сбора образцов. Это дает исследователям по всему миру жизненно важное время для обнаружения и контроля возникающих эпидемий.
Грибки ржавчины угрожают производству пшеницы почти с зарождения земледелия, и урожаи во всех основных пшеничных регионах мира остаются под угрозой. Лучшая защита — выращивание устойчивых к инфекции сортов пшеницы, но со временем появляются новые штаммы ржавчины, ведущие к новым эпидемиям. Лучший способ опередить ржавчину — быстро идентифицировать и отслеживать болезнь в поле.
В статье "MARPLE, a point-of-care, strain-level disease diagnostics and surveillance tool for complex fungal pathogens" в BMC Biology показано, как исследовательское партнерство сократило сроки диагностики с многих месяцев в высокотехнологичных лабораториях до всего 2 дней на месте в эфиопском поле. "Знание того, какой у вас штамм, — это критически важная информация, которую можно включить в системы раннего предупреждения, что приведет к более эффективному контролю вспышек болезней на полях фермеров", — сказал соавтор, фитопатолог по ржавчине из CIMMYT в Эфиопии доктор Дэйв Ходсон.
"Проблема в том, что отслеживание ржавчины пшеницы не так просто, как можно было бы ожидать. Существует множество различных штаммов, каждый со своими уникальными характеристиками, которые невозможно различить без длительных лабораторных тестов. Следовательно, определение того, какие из них представляют угрозу, может занять много месяцев, и к тому времени инфекция, вероятно, уже распространится", — сказала ведущий автор, руководитель группы в John Innes Centre доктор Диана Сондерс.
Новая диагностическая платформа MARPLE (Mobile And Real-time PLant disEase), созданная исследователями, нацелена на участки генетического кода ржавчины, которые можно секвенировать на портативной платформе MinION от Oxford Nanopore. "Это помогает нам различать штаммы и быстро распознавать те, которые мы уже видели, или обнаруживать новые, которые могут стать новой угрозой", — сказал первый автор доктор Гуру Радхакришнан из John Innes Centre.
"То, что начиналось как доказательство концепции, теперь уже используется в полевых условиях, — сказала доктор Сондерс. — Эта разработка позволит усилить мониторинг давления болезней сельскохозяйственных культур и осуществлять более целенаправленный контроль".
Часть проблемы для фермеров, выращивающих пшеницу, заключается в постоянной "игре в кошки-мышки" с болезнью. Знание того, какие штаммы ржавчины присутствуют в данной местности, может помочь в рекомендациях, какие сорта пшеницы безопаснее всего выращивать.
"Наконец, с этим проектом мы можем принести новейшие технологии на полевые участки, чтобы информировать не только исследователей, но и фермеров", — сказал Тадесса Даба, директор Управления исследований в области сельскохозяйственной биотехнологии EIAR.
Экономия времени — не единственное преимущество; метод диагностики MARPLE также можно проводить где угодно. Ранее, если исследователи на полевых участках хотели протестировать подозреваемый зараженный образец, им приходилось отправлять его в несколько специализированных лабораторий, часто за границу.
Метод диагностики MARPLE был разработан для работы непосредственно в поле. Это само по себе может быть сложной задачей из-за перебоев с электричеством, отсутствия доступа к интернету в удаленных местах и отсутствия холодильников для лабораторных реагентов. Тем не менее, чтобы система работала на этих исследовательских станциях, она должна была функционировать, несмотря на эти препятствия.
Новая платформа берет протоколы, которые обычно требуют много оборудования и экспертных знаний, и доводит их до уровня, где требуется меньше оборудования или специальных знаний.
"Мы постарались сделать как можно меньше элементов, требующих холодовой цепи, — сказала аспирант и соавтор Никола Кук, — с простыми шагами, которые можно выполнить с помощью химикатов, легко доступных на месте".
Такое сочетание скорости и самостоятельности позволяет местным исследовательским группам более тесно координировать свои действия с правительственными министерствами и национальными селекционными программами, которые работают над защитой местных фермеров.
В качестве доказательства концепции вся платформа — от полевого образца до результата на уровне штамма — была опробована в Холете, Эфиопия, в сентябре прошлого года. Исследовательская группа продемонстрировала успешную работу диагностического конвейера MARPLE рядом с пшеничным полем, с задней части автомобиля Landcruiser.
"Я действительно очень впечатлен этим проектом, — сказал Тесфае Дисаса, директор Института бионаук EIAR. — Он внедряет новые технологии в страну, а также способствует наращиванию потенциала института".
За свою работу по созданию платформы MARPLE команда в мае этого года была удостоена награды "Инноватор года" за международное влияние от Совета по исследованиям в области биотехнологии и биологических наук (BBSRC). После этой награды и при поддержке CGIAR Inspire Challenge и проекта "Delivering Genetic Gain in Wheat" еще четыре полевые станции по всей Эфиопии будут оснащены мобильной лабораторией MARPLE.
"Это реальная национальная и международная работа, которая в конечном итоге помогает малообеспеченным фермерам", — сказал доктор Бадада Гирима, фитопатолог по ржавчине из программы "Delivering Genetic Gain in Wheat".
В статье описаны шаги, предпринятые для создания этой комбинированной вычислительно-экспериментальной системы. Надеются, что, опубликовав этот процесс, можно будет разработать аналогичные методы мониторинга для других сложных грибковых патогенов, угрожающих здоровью растений, животных и человека.