Картофель является третьей по важности продовольственной культурой в мире, не случайно именуясь «вторым хлебом», поскольку клубни служат хорошим источником питательных веществ, таких как углеводы, белки, минералы и витамин C. Картофель дает более высокий урожай с гектара, чем любые другие ведущие продовольственные культуры, пшеница, рис или кукуруза. Вместе с тем выращивание картофеля сопряжено с рядом болезней и вредителей, таких как фитофтороз, вирусные заболевания, парша и цистообразующие нематоды. Изменение климата также негативно влияет на урожай. Ученые совершили значительный прорыв в сельскохозяйственной биотехнологии, используя CRISPR/Cas9 для редактирования генома картофеля, что привело к появлению растений с повышенной устойчивостью как к биотическим, так и к абиотическим стрессам. Открытие может привести к новым устойчивым сортам и снижению зависимости от пестицидов.
Исследователи из Шведского университета сельскохозяйственных наук совершили значительный прорыв, используя технологию редактирования генов, так называемые «генные ножницы» CRISPR/Cas9, для получения растений картофеля с повышенной устойчивостью к важным угрозам для культуры, включая биотические и абиотические стрессы.
«Фитофтороз, вызываемый патогеном оомицетом Phytophthora infestans, является основной целью в селекции устойчивости, но по-прежнему в значительной степени контролируется повторным применением фунгицидов, что не считается устойчивой практикой. Гены устойчивости (R-гены), как правило, редки и часто преодолеваются эволюцией патогенов. Кроме того, в настоящее время есть отдельные или не доступно ни одного R-гена для других важных заболеваний, таких как листовая болезнь, вызываемая Alternaria solani, которая влияет на урожайность и в настоящее время также требует применения фунгицидов, и парша на кожуре клубней, которая влияет на товарность. Гены восприимчивости (S-гены), которые используются патогенами для облегчения их выживания и размножения в хозяине, могут быть функционально исключены из генома для повышения устойчивости. В последние годы растет интерес к использованию нокаутов S-гена в исследованиях картофеля, особенно из-за их потенциала снижать восприимчивость к фитофторозу. Однако нокаут S-гена может также обеспечивать широкий спектр устойчивости, что показано в разных исследованиях», - поясняют авторы работы.
Было показано, что у модельного растения резуховидки Arabidopsis thaliana S-ген DOWNY MILDEW RESISTANT 6 ( AtDMR6) кодирует салициловую кислоту 5-гидроксилазу (S5H) в основном пути катаболизма салициловой кислоты (SA), фитогормона, участвующего в защитных реакциях.
Недавно потенциал удаления DMR6 для повышения устойчивости был исследован у нескольких культур, и была обнаружена повышенная устойчивость, например, к гемибиотрофным бактериям и биотрофным грибам у близкого родственника картофеля томата, гемибиотрофным бактериям у банана, биотрофному оомицету у базилика душистого, гемибиотрофным бактериям у цитрусовых, биотрофному оомицету у виноградной лозы, гемибиотрофным бактериям и грибам у риса и гемибиотрофным грибам у ячменя. Чаще всего система DMR6 (S-ген) демонстрировала эффективность в снижении заболевания ложной мучнистой росой, которое изначально и дало ей такое название.
«В картофеле функция St DMR6-1 была отлична от St DMR6-2, поскольку нокаут Stdmr6-1 показал повышенную устойчивость к P. infestans, тогда как Stdmr6-2 – нет. Поэтому целью работы было проверить предположение, что нокаут Stdmr6-1 может помочь мутантным растениям выживать как при заражении различными патогенами, так и в условиях абиотического стресса. Большинство этих экспериментов проводились в контролируемых условиях. Кроме того, была проведена серия качественных тестов на клубнях, полученных в ходе полевых испытаний. Для оценки устойчивости к фитофторозу, которая ранее была задокументирована только в контролируемых условиях с одним штаммом P. infestans, спонтанное заражение отслеживалось в течение четырех лет полевых испытаний. Было интересно дополнительно проверить устойчивость и к другому сельскохозяйственно важному некротрофному патогену. Для этой цели использовался Alternaria solani, некротрофный гриб. Также были проанализированы качество и урожайность клубней», - пишут авторы работы.
В итоге, полевые оценки мутантов CRISPR/Cas9 в месте поля со сложной популяцией P. infestans в течение четырех последовательных лет указывают на повышенную устойчивость к фитофторозу без каких-либо компромиссов с точки зрения потери урожайности или качества клубней. Кроме того, исследования клубней картофеля из полевых испытаний показали повышенную устойчивость к парше обыкновенной, а мутантные линии демонстрируют повышенную устойчивость к Alternaria solani в контролируемых условиях. Как говорилось раньше альтернариоз картофеля и парша обыкновенная являются проблемными целями в селекции устойчивости картофеля, поскольку гены устойчивости очень редки.
«Описанная широкая устойчивость мутантов Stdmr6-1 может далее распространяться на некоторые абиотические стрессовые условия. В контролируемых экспериментах либо симуляции засухи, либо засоления мутантные растения Stdmr6-1 страдают меньше, чем фоновый сорт. В совокупности эти результаты демонстрируют перспективность мутантов Stdmr6-1 как полезного инструмента в будущем устойчивом выращивании картофеля без каких-либо очевидных компромиссов», заключили исследователи.
По статье группы авторов (Милла Карлссон, Нам Фыонг Киеу, Марит Ленман, Салла Марттила, Сванте Решё, Мухаммад Авайс Захид, Эрик Андреассон), опубликованной в журнале Horticulture Research.
Заглавное фото: Лукьянов Дмитрий, AgroXXI.ru.
Интересна тема? Подпишитесь на наши новости в ДЗЕН | Канал в Telegram | Группа Вконтакте | Дзен.новости.
