Томаты «смешивают химические коктейли»: раннее выявление устойчивости к болезням у продовольственных культур

Бактериальное увядание опустошает продовольственные культуры по всему миру. Оно поражает такие важные культуры, как томаты, картофель, бананы, имбирь и перец. Болезнь встречается во многих странах и атакует более 200 видов растений. Бактерия, вызывающая заболевание, сохраняется в почве, семенах и растительном материале годами. Она также может заражать воду и сельскохозяйственное оборудование.

Селекционерам и фермерам важно как можно раньше знать, насколько сорт устойчив к бактерии. Но до сих пор им приходилось высаживать растения и ждать их созревания, чтобы наблюдать устойчивость в полевых условиях. Новое исследование предлагает способ значительно сэкономить время и снизить риски. Новый подход позволяет прогнозировать устойчивость сорта гораздо раньше, чем раньше. Теперь можно анализировать устойчивость сорта на стадии рассады к целому ряду угроз. Для этого используются метаболомика растений и статистическое моделирование для расшифровки химической защиты растений.

В сочетании с генетическими методами этот подход поможет выявить устойчивость, зависящую от нескольких генов, что является давней проблемой в селекции растений.

Дилемма фермера

Когда фермеры покупают семена, им нужно учитывать угрозы, с которыми столкнутся растения. Например, на ферме может быть засуха и жара. Если почва уже заражена бактериями Ralstonia solanacearum, вызывающими увядание, у фермера есть два выбора, говорит профессор Ян Дубери, директор Центра исследований метаболомики растений Университета Йоханнесбурга.

Первый — не сажать культуры, поражаемые бактериальным увяданием. Второй — выбирать сорта растений, более устойчивые к нему. Если есть засуха, жара и бактериальное увядание, фермеру нужен сорт, достаточно устойчивый ко всем трём угрозам.

В эпоху полногеномного секвенирования ДНК это может казаться простым. Проанализировать все гены сортов и выбрать те, у которых есть нужные гены для угроз на конкретной ферме. Но устойчивость растения может работать иначе. Для одной угрозы один ген может включать или выключать устойчивость. Для другой может быть задействовано несколько генов.

«Трудно определить, какие сорта устойчивы к бактериальному увяданию. Устойчивость к Ralstonia solanacearum — это полигенный признак, зависящий от многих генов, которые ещё недостаточно изучены. Потребуется время, чтобы наука поняла, как это работает», — добавляет Дубери.

Полагаться на внешний вид растений также может быть обманчиво. У молодых растений можно определить, что сорт не способен защититься от угрозы, то есть восприимчив. Но исключение восприимчивых сортов не гарантирует, что оставшиеся будут устойчивыми, говорит Дубери. На восприимчивость и устойчивость в иммунитете растений могут сильно влиять факторы окружающей среды.

В текущей ситуации фермеры рискуют потерять рассаду в заражённой почве. Взрослые растения также могут оказаться менее устойчивыми, чем ожидалось. Селекционеры рискуют потратить время на улучшение сортов, которые в итоге окажутся непригодными для сельского хозяйства.

Химическая защита томатов

Для исследования студент-дипломник Дилан Зайсс изучил четыре сорта томатов. Эти сорта демонстрируют среднюю и высокую устойчивость к Ralstonia solanacearum в коммерческом сельском хозяйстве. Он взял образцы листьев, стеблей и корней здоровых растений каждого сорта, измельчил их и проанализировал полученные смеси на содержание химических веществ, которые сорта производят для самозащиты.

«Растения могут развивать устойчивость к угрозам, таким как бактерии, вирусы или стрессы окружающей среды. Но, в отличие от животных, у них нет циркулирующих иммунных клеток для поддержки приобретённого иммунитета, — говорит Зайсс. — Растения используют врождённую устойчивость, закодированную в их генах. Они также синтезируют множество антимикробных химических веществ для противодействия угрозам. Для каждой угрозы растению нужно приготовить разный химический "коктейль". Этот коктейль может варьироваться в зависимости от местоположения, погоды и других стрессов».

Зайсс проанализировал 41 такое химическое вещество, называемое вторичным метаболитом, у сортов томатов. Он использовал жидкостную хроматографию, сопряжённую с масс-спектрометрией высокого разрешения. Это показало, какие сорта производят какие метаболиты и в каком количестве. Затем исследователи обработали сырые данные с помощью статистического пакета для проведения многомерного анализа.

Лучше, чем одна только генетика

Растения обнаруживают, что атакует их в окружающей среде. Некоторые сорта лучше обнаруживают несколько угроз одновременно и производят все необходимые для защиты химические вещества.

Если сорт обладает более сильной устойчивостью к угрозе, он будет производить больше необходимых химических веществ. Эти вещества проявляются в виде сильных пиков на анализах. Если у сорта нет большой устойчивости к этой угрозе, он либо не производит это вещество, либо производит его в гораздо меньших количествах.

Исследователи сравнили химический состав этих сортовых «коктейлей» и соотнесли его с известной устойчивостью сортов к бактериальному увяданию. В процессе они обнаружили «метаболитный отпечаток пальца» устойчивости томатов к увяданию.

«В принципе, мы можем использовать этот подход для любого взаимодействия растение-патоген. Вероятную устойчивость сорта можно прогнозировать на стадии рассады», — говорит Дубери.

«Если у сорта есть генетическая способность развить устойчивость к угрозе, он будет синтезировать химические вещества для самозащиты. Таким образом, мы можем "видеть" устойчивость растений гораздо лучше, чем просто глядя на них. И мы можем делать это, когда саженцам всего несколько недель, вместо того чтобы ждать месяцы, чтобы увидеть, устойчивы ли взрослые растения».

В будущем селекционеры смогут отбирать сорта продовольственных культур, более устойчивые к жаре, засухе, бактериям и вирусам, комбинируя метаболомику с генными технологиями, заключает Дубери.