Понимание устойчивости пшеницы к ржавчине
Ежегодно из-за вредителей и болезней теряется пятая часть мирового урожая пшеницы — этого достаточно для выпечки около 290 миллиардов буханок хлеба. Решение проблемы грибковых ржавчинных заболеваний пшеницы может помочь обеспечить продовольственную безопасность.
Исследователи из KAUST вместе с коллегами из ЮАР, Франции и США собрали наиболее качественный на сегодняшний день геном хлебной пшеницы. Это ключевой южноафриканский сорт Кариега, обладающий устойчивостью к стеблевой (жёлтой) ржавчине — одному из трёх видов ржавчины пшеницы. Используя этот геном, учёные идентифицировали и клонировали ключевой ген, обеспечивающий устойчивость к стеблевой ржавчине.
«Споры ржавчины разносятся ветром на тысячи километров, поэтому новые высоковирулентные штаммы распространяются быстро, — говорит Навинкумар Атийаннан. — В отличие от людей, у растений нет адаптивной иммунной системы, которая «запоминает» прошлые инфекции. Их способность противостоять конкретным болезням закодирована в генах устойчивости».
«Геном пшеницы динамичный и сложный, в пять раз больше человеческого. Это делает чрезвычайно трудным определение местоположения конкретного гена», — говорит Майкл Абрук. Более того, гены устойчивости часто различаются у разных сортов. Секвенирование генома Кариеги особенно важно для понимания устойчивости к стеблевой ржавчине.
Команда объединила современные методы секвенирования ДНК для сборки генома, а затем провела обширный анализ с использованием молекулярных маркеров, чтобы определить точную хромосомную область, отвечающую за устойчивость.
«Сборка генома Кариеги позволила нам детально изучить последовательность ДНК в этом регионе и идентифицировать все возможные гены-кандидаты, — говорит Абрук. — Раньше этот шаг занял бы месяцы или даже годы».
Команда идентифицировала ген устойчивости к стеблевой ржавчине как Yr27, который затем клонировали для изучения его функции и молекулярных механизмов устойчивости. В будущем клонированные гены можно будет переносить в сорта в процессе селекции и даже модифицировать для изменения распознавания и устойчивости растения к болезням.
«Мы были рады обнаружить, что Yr27 является версией (аллелем) известного гена устойчивости к бурой листовой ржавчине, — говорит Атийаннан. — Теперь, когда мы знаем точные последовательности обоих аллелей, мы, возможно, сможем сконструировать новую версию гена, которая распознаёт обе болезни одновременно».
«Мы разработали быструю и экономичную стратегию клонирования генов устойчивости к болезням, — добавляет Саймон Крэттингер. — Долгосрочная цель — клонировать 400 генов устойчивости, обнаруженных в пшенице, что даст учёным реальный шанс искоренить основные болезни пшеницы».
Исследование опубликовано в Nature Genetics.