Ученые создали устойчивый к болезням рис без потери урожайности

Исследователи успешно разработали новый метод, позволяющий повысить устойчивость риса к болезням без снижения урожайности. Команда из Университета Дьюка в сотрудничестве с учеными из Хуачжунского сельскохозяйственного университета в Китае описывает результаты в статье, опубликованной 17 мая 2017 года в журнале Nature.

Болезни, вызываемые бактериальными или грибковыми патогенами, представляют серьезную проблему и могут привести к потере 80% и более урожая риса.

Практическое применение компонентов иммунного ответа растений для создания устойчивых сортов ограничено из-за снижения урожайности, связанного с постоянно активной защитной реакцией.

«Иммунитет — это палка о двух концах, — сказала соавтор исследования Синьнянь Донг, профессор биологии в Университете Дьюка. — Часто существует компромисс между ростом и защитой, потому что защитные белки токсичны не только для патогенов, но и вредны для самого растения при сверхэкспрессии. Это серьезная проблема в создании устойчивости к болезням для сельского хозяйства, поскольку конечная цель — защитить урожай».

Чтобы смягчить негативные эффекты активной защиты, группа Донг добавила дополнительный уровень контроля, используя недавно открытые последовательности — верхние открытые рамки считывания (uORFs). Эти элементы действуют на промежуточную молекулу гена, или матричную РНК (mRNA), управляя её «трансляцией» в конечный белковый продукт.

Группа Донг выдвинула гипотезу, что добавление этой индуцируемой патогеном трансляционной регуляции приведет к более строгому контролю экспрессии защитных белков и минимизирует потерю урожая, связанную с повышенной устойчивостью к болезням.

Для проверки гипотезы исследователи начали с Arabidopsis, цветкового растения, часто используемого в лабораторных исследованиях. Они создали «транскрипционно-трансляционную кассету», содержащую как регуляторные элементы транскрипции, так и трансляции (uORFs), и вставили её в растения Arabidopsis перед мощным «иммунным активатором» snc1.

Растения с конститутивно активным snc1 обладают высокой устойчивостью, но имеют серьезные дефекты роста. Поразительно, но растения с новой кассетой не только показали повышенную устойчивость, но и не имели дефектов роста, напоминая здоровые дикие растения.

Затем группа Донг применила эти находки для создания устойчивого к болезням риса. Они создали трансгенные линии риса, содержащие ту же кассету, управляющую экспрессией другого мощного «иммунного активатора» — гена AtNPR1.

Трансгенные линии риса были заражены бактериальными и грибковыми патогенами, вызывающими три основные болезни риса: бактериальный ожог, полосатость листьев и пирикуляриоз (рисовый бласт). Растения показали высокую устойчивость ко всем трем патогенам, что указывает на достижение широкого спектра резистентности.

Ключевой результат: при выращивании в полевых условиях их урожайность — как по количеству, так и по качеству зерна с растения — практически не пострадала.

Эта стратегия является первым известным случаем использования добавления трансляционного контроля для создания устойчивых к болезням сельскохозяйственных культур с минимальными потерями урожайности. Поскольку стратегия активирует эндогенную защиту растений, она также может сократить использование пестицидов.

Эти находки могут иметь широкое применение, так как элементы uORFs широко представлены у организмов от дрожжей до человека, причем почти половина всех человеческих транскриптов содержит их. «Большой потенциал использования этих элементов для контроля трансляции белков в ходе специфических биологических процессов еще предстоит реализовать», — сказала Донг.