Бактерии, вирусы и грибки — настоящие мастера по разработке новых стратегий для проникновения в растения и вызывания болезней, наносящих вред сельскохозяйственным культурам. Чтобы опередить эти патогены, исследователи из Университета Саскачевана (USask), такие как доктор Валентина Климиюк (кандидат наук) и доктор Кертис Позняк (кандидат наук), изучают разновидности дикой пшеницы, которые обладают устойчивостью к вредоносным патогенам. Это привело их к открытию, с которым они никогда раньше не сталкивались — уникальной паре генов, которые работают вместе для защиты от болезней.
Для поддержки программы по разработке сортов Центр развития сельскохозяйственных культур (CDC) при Университете Саскачевана вновь обратился к генофонду пшеницы и провёл отбор её диких родственников на наличие полезных признаков, которые можно эффективно использовать в новых сортах пшеницы.
Дикая пшеница не была одомашнена, поэтому её нельзя использовать напрямую в селекции, но она содержит полезное разнообразие для реагирования на угрозы окружающей среды. Это делает её идеальной для изучения новых методов повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к болезням.
Исследования в CDC направлены на улучшение сортов сельскохозяйственных культур. Объединяя фундаментальные исследования с селекцией, CDC воплощает научные открытия в новые высокоурожайные сорта, которые могут использовать производители.
«Часть наших исследований заключается в том, чтобы быть на шаг впереди патогенов, выявляя новые гены устойчивости, которые в идеале можно было бы складывать, как кубики Lego, чтобы патоген не мог легко преодолеть сопротивление», — сказала Климиюк.
Изучая дикий сорт пшеницы, Климиюк и Позняк обнаружили, что он демонстрирует значительную устойчивость к полосатой ржавчине — типу грибковой инфекции, которая входит в пятёрку основных заболеваний, вызывающих беспокойство у производителей. Климиюк и Позняк вскоре поняли, что устойчивость, которую они определили у этого дикого сорта, ведёт себя иначе, чем ожидалось.
Их выводы были опубликованы в Nature Genetics.
«Как только мы начали оценивать устойчивость, мы увидели, что она отличается от той, которую мы изучали ранее. Устойчивость действовала нетипично, что сигнализировало об очень отличной реакции растения», — сказал Позняк, профессор и директор CDC в USask. «Мы были весьма заинтригованы тем, что на самом деле происходило».
Климиюк, научный сотрудник в программе Позняка, сказала, что обычно один ген отвечает за экспрессию полосатой ржавчины, но в случае с этой дикой пшеницей они определили, что для полной устойчивости требуется работа двух генов в паре. Один ген отвечает за обнаружение вторгающегося патогена, а другой активирует иммунный ответ растения, чтобы остановить патоген.
Чтобы подтвердить, какие гены отвечают за устойчивость, эксперименты Климиюк «выключали» каждый из генов, подобно переводу выключателя, чтобы увидеть, какая комната в доме погружается во тьму. Когда ген «выключен», растение больше не может защитить себя и становится восприимчивым к патогену. Однако эта уникальная пара генов оказалась небольшой аномалией, которая вызвала сбой в результатах исследователей.
«Изначально мы думали, что ответственен только один ген. Большинство наших результатов имели смысл, но было несколько растений, которые не дали нам ожидаемых результатов. Это было непросто, поэтому мы вернулись, чтобы переосмыслить наши эксперименты и проверить, действительно ли задействованы два гена. Как только мы провели повторную проверку, результаты стали ясны», — сказала Климиюк.
Команда копнула глубже и обнаружила, что два гена-аутсайдера взаимодействуют на уровне белков, физически объединяясь, чтобы инициировать реакцию устойчивости.
«В большинстве случаев, когда что-то не сходится, возникает соблазн двигаться вперёд, но мы действительно углубились, чтобы выяснить, что происходит, и именно тогда мы поняли, что гены взаимодействуют и работают вместе, и это действительно ново», — сказал Позняк.
«Если бы мы сдались после первого набора экспериментов, мы бы никогда не пришли к выводу, что для устойчивости необходимо объединение двух генов. Это отличная научная история», — добавил он.
Выявление сложных взаимодействий генов, которые обеспечивают более высокую устойчивость, как в случае с опубликованными в этой статье результатами, имеет решающее значение в продолжающейся борьбе с болезнями сельскохозяйственных культур. Из-за необычного поведения генов Климиюк разработала тест ДНК, чтобы гарантировать наличие пары генов в новых растениях. С помощью этого теста ДНК гены можно регулярно использовать в селекционных программах.
Эти открытия позволяют CDC добавить надёжные инструменты в свой генетический набор, помогая производить более сильные и устойчивые сорта пшеницы на многие годы вперёд.
«Взаимосвязь исследований и селекции позволяет нам не упускать из виду цель и разрабатывать наиболее продуктивные сорта для фермеров. Этот проект также помогает нам понять и оценить сложность биологии растений. Растениям действительно нужно адаптироваться, и они делают это интересными способами», — сказал Позняк.