Сотрудничество CIMMYT с казахстанскими учеными позволяет найти новые перспективные источники генетической устойчивости к пиренофорозу, опасному заболеванию пшеницы.
Мэдлин Дам
Ученые из ИББР оценивают пшеницу, инфицированную и ржавчинами пшеницы. (фото: ИББР)
Хотя болезнь пиренофороза, вызываемая грибом Pyrenophora tritici—repentis, может быть менее распространена, чем более «известные» патогены пшеницы, такие как ржавчина и вредители, ее потенциал становится серьезной угрозой для регионов выращивания пшеницы и вызывает серьезное беспокойство во всем мире.
В Казахстане, одном из основных производителей пшеницы в Центральной Азии, фермеры борются с эпидемиями пиренофороза с 1980-х годов. Казахстанские фермеры сообщают, что в годы эпидемии из-за болезни они могут терять до 50% урожая.
Недавнее исследование, опубликованное в Frontiers in Genetics учеными Института биологии растений и биотехнологии (IPBB, Казахстан) и Международного центра улучшения кукурузы и пшеницы (CIMMYT, Мексика), открыло многообещающее новое оружие для поиска новых источников генетической устойчивости к болезни пиренофороза.
«Мягкая пшеница – одна из важнейших культур в Центральной Азии, напрямую связанная с продовольственной безопасностью; 45-60% ежедневных калорий приходится на пшеницу», — сказала Алма Кохметова, профессор и руководитель лаборатории генетики и селекции IPBB. Кохметова А.М. сотрудничала с CIMMYT в этом проекте для проведения полногеномного исследования ассоциаций (GWAS), которое обнаружило новые источники генетической устойчивости к пиренофорозу.
Пиренофороз, вызываемый Pyrenophora tritici-repentis на восприимчивом сорте пшеницы. (Фото: ИББР)
Творческий подход к решению сложных глобальных проблем
Глобальное сельское хозяйство неоднократно подвергалось испытаниям, и ему угрожали новые вредители и болезни.
Фунгициды и пестициды не являются универсальным и устойчивым решением для борьбы со вспышками болезней. Было обнаружено, что они не только недоступны для большей части населения земного шара, но и обладают некоторыми отрицательными побочными эффектами для окружающей среды и здоровья. Но селекционеры утверждают, что есть более эффективный путь к устойчивости: через генетику.
Например, некоторые сорта пшеницы обладают естественной устойчивостью к таким заболеваниям, как пиренофороз; это заложено в их ДНК. Если селекционеры смогут выяснить, какие гены содержат код устойчивости к болезни пиренофороза, в этом случае они смогут скрещивать и выводить будущие сорта, чтобы получить естественный иммунитет к этой болезни. Это гораздо более чистое, дешевое и экологичное решение, чем обработка сельскохозяйственных культур химическими веществами, убивающими гриб и насекомых.
В поисках иголки в стоге сена
Работая вместе, ИББР и CIMMYT смогли найти некоторые важные и новые генетические ассоциации с устойчивостью к пиренофорозу для двух основных рас болезни, расы 1 и расы 5, которые наиболее распространены в Казахстане. Исследовательские центры собрали панель из 191 образца пшеницы с разным уровнем устойчивости из Казахстана, России и CIMMYT через Международное партнерство по урожайности озимой пшеницы (IWWYP).
Устойчивый к пиренофорозу сорт пшеницы. (Фото: ИББР).
Чтобы провести общегеномное исследование ассоциаций, ученые использовали платформу для генотипирования под названием DArTseq, устройство, которое CIMMYT размещает в своем здании биологических наук в кампусе Эль-Батана, чтобы секвинировать образцы в панели коллекции пшеницы. Метод DArTseq секвенирует представителей генома на платформах секвенирования следующего поколения и генерирует данные о полиморфизмах одиночных нуклеотидов (SNP) высокой плотности экономичным способом.
Используя SNP, сгенерированные DArTSeq, и фенотипическую оценку устойчивости к пятнистости на стадии проростков и взрослых растений в Казахстане, ученые смогли отметить участки генома, связанные с устойчивостью к этому заболеванию. Было обнаружено, что новые области хромосом 3BS, 5DL и 6AL обладают некоторыми перспективными признаками устойчивости, особенно 6AL, который, по-видимому, лучше защищает растения от обеих рас возбудителя.
Рисунок анализа GWAS, показывающий новые геномные ассоциации, особенно на хромосоме 6A, которые демонстрируют устойчивость к обеим расам гриба пиренофороза.
Следующие шаги
Это открытие новых источников генетической устойчивости к пиренофорозу волнует селекционеров, исследователей, доноров, национальные сельскохозяйственные системы, семеноводческие компании и, в конечном итоге, фермеров как в Казахстане, так и за его пределами. По сути, это открытие принесет пользу любой стране, которая борется с расой 1 и расой 5 болезни пятнистости.
«В целях селекции 25 линий с лучшими комбинациями аллелей новых и известных генов, выявленных в этом исследовании, в настоящее время используются в различных программах гибридизации в Казахстане», — сказала Дипмала Сегал, генетик CIMMYT. Следующим этапом этого проекта также будет совместная работа с CIMMYT, где результаты будут проверены на других генетических фонах.
«После подтверждения результатов информация об их последовательностях будет обновлена на платформе генотипирования под названием Intertek, которая была разработана, чтобы помочь селекционерам в генотипировании своей зародышевой плазмы с помощью генных маркеров», — добавила Сегал.
Вместе будет больший вклад
Благодаря обмену пшеничным материалом между CIMMYT-Мексика-Турция и ИКАРДА (IWWIP) мы выбрали и произвели устойчивые к болезням перспективные линии пшеницы. Эти образцы пшеницы сейчас оцениваются на разных этапах селекционного процесса», — сказала Кохметова.
Предыдущий успех этого исследования и партнерство между CIMMYT и ИББР привели к еще одному раунду финансирования, одобренному правительством Казахстана, чтобы вывести это исследование на следующий этап. Кроме того, недавно было одобрено еще 2 проекта, направленных на поиск источников генетической устойчивости к листовой и желтой ржавчине.
«Благодаря предыдущему успешному сотрудничеству между ИББР и CIMMYT, нашему NARS партнеру, профессору Алме Кохметовой были одобрены еще два проекта», — сказал Сегал.
Хотя история устойчивой к пиренофорозу пшеницы все еще разворачивается, большие успехи будут продолжены по следам этого исключительного открытия.
Полную версию статьи можно прочесть здесь: Genome-Wide Association Study of Tan Spot Resistance in a Hexaploid Wheat Collection From Kazakhstan.
