Искусственный отбор значительно повлиял на агрономические признаки сельскохозяйственных культур, однако механистическая основа отбора иммунитета остается неясной. Китайские исследователи работают над тем, чтобы вернуть окультуренному рису силу его диких предков по устойчивости к бактериальному ожогу.
Бактериальный ожог риса — опасное карантинное заболевание, вызываемое бактерией Xanthomonas oryzae pv. oryzae, поражающее сосудистую систему растений. Оно вызывает увядание, пожелтение и гибель посевов, особенно в фазе колошения, приводя к потерям урожая до 60%.
Заболевание распространено в Азии, часто передается через семена и зараженную воду. Начинается с появления маслянистых, зеленовато-желтых пятен на листьях, которые затем переходят в полосы, охватывающие весь лист. Листья быстро засыхают (ожог), растение увядает. В условиях высокой влажности на пораженных тканях выделяется бактериальный экссудат (капли жидкости).
Ввиду тяжести бактериального ожога риса, обнаружение и применение генов устойчивости к этому заболеванию имеет стратегическое значение для обеспечения стабильного производства риса в Азии. Однако генетические стратегии повышения устойчивости к болезни сталкиваются с компромиссом между урожайностью и иммунитетом к заболеванию, поскольку более высокий иммунитет может быть связан с более низкой урожайностью.
На сегодняшний день большинство генов устойчивости к бактериальному ожогу (Xa), которые были «клонированы» — то есть идентифицированы, выделены и функционально подтверждены, — либо происходят от диких родственников риса, либо представляют собой мутации с потерей функции в генах восприимчивости, что позволяет предположить, что устойчивость к бактериальному ожогу могла подвергнуться отрицательному отбору в процессе одомашнивания риса.
Команда профессора Хэ Цзухуа из Центра передовых исследований в области молекулярных наук о растениях Китайской академии наук, совместно с командой профессора Чэнь Гунъю из Шанхайского университета Цзяотун и командой профессора Дэн Ивэня из Чжэцзянского университета, клонировали ген Xa48, обеспечивающий широкий спектр устойчивости к бактериальному ожогу. Они разработали новую модель широкой и надежной устойчивости к бактериальному ожогу, включающую иммунный рецептор NLR и его соответствующий эффектор, и раскрыли молекулярный механизм, посредством которого XA48 координирует рост и иммунитет в процессе одомашнивания сельскохозяйственных культур.
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature.
«В своем исследовании мы идентифицируем нуклеотид-связывающий сайт и рецептор XA48 с богатыми лейцином повторами (NLR) Oryza sativa, а также нижележащие транскрипционные факторы Os VOZ1 и Os VOZ2 (Os VOZ1/2), которые обеспечивают устойчивость к бактериальному ожогу, - поясняют авторы исследования из Китайской академии наук. - XA48 воспринимает древний эффектор патогена XopG, активируя иммунитет, запускаемый эффектором, путем деградации негативного регулятора Os VOZ1/2. Очевидно, что модуль XA48– Os VOZ1 подвергся субвидоспецифическому отбору: Xa48 сохранился только у Oryza sativa indica (индика) и был утрачен у Oryza sativa japonica (японика). Напротив, Os VOZ1 разделился на два гаплотипа O. s.. У сорта индика сохраняются оба аллеля Os VOZ1 A/S, совместимые с Xa48, тогда как у O. s. японики присутствует только Os VOZ1 A. Повторное введение Xa48 в O. s. японики значительно снижает урожайность из-за иммунной несовместимости, опосредованной XA48 и Os VOZ1 A. Сочетание иммунитета, активируемого эффекторами XA48, с иммунитетом, активируемым паттернами XA21, восстанавливает широкоспектральную устойчивость дикого риса. Таким образом, наше исследование показывает, как асимметричный отбор модуля NLR-транскрипционного фактора формирует устойчивость к болезням и репродуктивное развитие, предоставляя стратегию селекции сельскохозяйственных культур за счет использования относительного иммунитета дикого риса».
Ученые также создали платформу для изучения иммунологии, основанную на двух основных путях иммунной системы растений — иммунитете, запускаемом паттернами (PTI), опосредованном RaxX-XA21, и иммунитете, запускаемом эффекторами (ETI), опосредованном AvrXa48-XA48, — для систематического исследования их синергетического эффекта во время заражения патогенами. Они разработали комплексную платформу PTI+ETI, которая интегрирует эти иммунные сети для повышения устойчивости к бактериальному ожогу. Они также восстановили широкоспектральную устойчивость дикого риса в современном рисе, предложив новую стратегию устойчивого контроля болезней сельскохозяйственных культур.
Данное исследование закладывает основу для развития защиты растений и селекции сельскохозяйственных культур в Китае, предоставляя генетические ресурсы и техническую поддержку для повышения устойчивости сельскохозяйственных культур к болезням в рамках программ селекции риса.
Источник: Chinese Academy of Sciences. Автор: Лю Цзя.
На фото: исследователи изучают фенотипы риса в полевых условиях, чтобы получить ключевые данные для выведения устойчивых к болезням сортов.
Источник: Центр передового опыта в области молекулярных наук о растениях Китайской академии наук.