Зерновые относятся к числу важнейших основных продуктов питания. Одна только пшеница обеспечивает около 20% потребления белка и калорий во всем мире. Однако ее производство находится под угрозой из-за болезней растений, таких как мучнистая роса пшеницы.
Мучнистая плесень пшеницы вызывается облигатным биотрофным грибом Blumeria graminis f. sp. tritici (Bgt) — это специализированная форма Blumeria graminis, которая поражает исключительно пшеницу и распространяется воздушно-капельным путем, образуя белые или серые порошкообразные пятна на листьях и стеблях.
Одной из устойчивых альтернатив использованию фунгицидов является выращивание сортов пшеницы, генетически устойчивых к этому патогену. Однако во многих случаях это неэффективно в долгосрочной перспективе, поскольку мучнистая роса быстро эволюционирует и способна преодолеть любую устойчивость.
Группа исследователей из Департамента биологии растений и микроорганизмов Цюрихского университета провела более углубленные исследования, чтобы установить, как гриб способен заражать пшеницу, несмотря на наличие генов устойчивости. Ученые обнаружили ранее неизвестное взаимодействие между факторами устойчивости пшеницы и факторами заболевания, вызывающими мучнистую росу.
«Более глубокое понимание позволяет более целенаправленно использовать гены устойчивости и предотвращать или замедлять разрушение устойчивости», — говорит научный сотрудник Зои Бернаскони, один из ведущих авторов исследования, опубликованного в журнале Nature Plants .
Гриб мучнистой росы производит сотни крошечных белков, известных как эффекторы, которые он вводит в клетки хозяина. Именно там они помогают установить инфекцию. Белки устойчивости, вырабатываемые пшеницей, могут напрямую распознавать некоторые из этих эффекторов. Это запускает иммунный ответ, который останавливает инфекцию. Однако гриб часто обходит это, модифицируя распознанные эффекторы или даже полностью теряя их.
Исследовательская группа выявила новый эффектор мучнистой плесени (названный AvrPm4), который распознается известным белком устойчивости пшеницы Pm4. Однако, что удивительно, гриб способен преодолеть устойчивость, обеспечиваемую Pm4, — и делает это, не модифицируя и не теряя эффектор.
Его хитрая уловка заключается в наличии второго эффектора, который препятствует распознаванию AvrPm4. «Мы предполагаем, что функция AvrPm4 жизненно важна для выживания гриба, и именно поэтому этот необычный механизм развился в ходе его эволюции», — говорит Бернаскони.
Особенно интересно то, что второй эффектор выполняет двойную функцию. Он не только предотвращает распознавание первого эффектора AvrPm4, но и сам распознается другим белком резистентности.
«Это означает, что, объединив два белка устойчивости в одном и том же сорте пшеницы, можно заманить гриб в эволюционный тупик, в котором он больше не сможет избежать иммунного ответа пшеницы», — говорит научный сотрудник Лукас Кунц, один из ведущих авторов исследования.
«Теперь, когда мы знаем эти механизмы и патогенные факторы участвующего в этом гриба, мы можем предпринять более эффективные действия для предотвращения прорыва мучнистой росы через устойчивость пшеницы к этому заболеванию», — говорит Беат Келлер, профессор, возглавлявший исследовательскую группу до своего выхода на пенсию в прошлом году. Исследования Беата Келлера сосредоточены на молекулярной основе устойчивости к болезням у зерновых культур: пшеницы, кукурузы, ячменя и ржи. Это включает в себя характеристику генов, ответственных за формирование специфических иммунных рецепторов, и выделение первых генов устойчивости к грибным заболеваниям пшеницы и к пятнистости листьев кукурузы.
Мониторинг возбудителя мучнистой росы теперь позволяет, например, целенаправленно использовать устойчивые сорта пшеницы в тех местах, где они окажут максимальное воздействие.
Умелое сочетание генов устойчивости в новых сортах пшеницы также могло бы стать одним из вариантов. «Теоретически, подобные меры могли бы значительно замедлить развитие новых патогенных штаммов грибов», — говорит Келлер.
Команда уже провела несколько первых многообещающих экспериментов в лаборатории. Для этого они объединили гены устойчивости, которые отключали как эффектор AvrPm4, так и второй эффектор. Но покажет ли этот подход свою эффективность в полевых условиях, еще предстоит выяснить.
Источник: University of Zurich.
