Люцерна, важное кормовое зернобобовое растение, играет серьезную роль в устойчивом сельском хозяйстве, обеспечивая ресурсом животноводство и способствуя здоровью почвы. Тем не менее, продуктивность и жизнеспособность люцерны могут серьезно пострадать от таких заболеваний, как антракноз, вызываемый грибом Colletotrichum trifolii. Выведение сортов люцерны, устойчивых к заболеванию, сегодня находится в приоритетах агронауки по кормовых растениям, так как это снижает потребность в химических обработках и обеспечивает стабильную урожайность. Задача заключается в эффективном выявлении и внедрении генетических признаков, ответственных за эту устойчивость, в новые сорта.
Исследователи Национального научно-исследовательского института сельского хозяйства, продовольствия и окружающей среды Франции, INRAE, определили шесть конкретных генетических областей, в том числе две основные на хромосоме 8, которые объясняют 58% устойчивости люцерны к антракнозу. Исследование также показало, что использование генетических маркеров может предсказать устойчивость люцерны к антракнозу с высокой точностью 85%, что значительно ускоряет селекционные усилия, сообщает Американское агрономическое общество, American Society of Agronomy, в релизе.
Последние исследования, проведенные INRAE, позволили добиться значительных успехов в решении антракноза на люцерне. Данное исследование было направлено на точное определение генов, ответственных за устойчивость, и изучение потенциала использования генетических маркеров для прогнозирования устойчивости в программах селекции.
Хотя было известно, что устойчивость к антракнозу является «олигогенным признаком», то есть контролируется несколькими основными генами, их точное положение в геноме люцерны оставалось в значительной степени неизвестным. Ученые сначала оценили устойчивость к антракнозу большой коллекции из 417 сортов люцерны и селекционных линий, наблюдая, сколько растений в каждой группе проявили устойчивость. Затем они использовали передовые генетические инструменты, в частности, генотипирование путем секвенирования (genotyping by sequencing, GBS), чтобы получить генетические профили для 380 из этих образцов. GBS включает в себя секвенирование репрезентативной части ДНК организма для идентификации однонуклеотидных полиморфизмов (single nucleotide polymorphisms, SNP), которые представляют собой вариации в одной точке последовательности ДНК и могут служить генетическими маркерами.
Используя эти генетические данные, команда провела полногеномное ассоциативное исследование (GWAS). GWAS — это мощный метод, который сканирует весь геном, чтобы найти связи между конкретными генетическими маркерами (например, SNP) и определенной чертой, в данном случае устойчивостью к антракнозу. Этот процесс помогает идентифицировать локусы количественного признака (Quantitative Trait Loci, QTL), которые представляют собой области хромосом, содержащие гены, влияющие на определенный признак.
В ходе исследования был выявлен широкий диапазон устойчивости к антракнозу среди образцов люцерны, при этом новые сорта и селекционные материалы, как правило, демонстрируют более высокую устойчивость, чем старые. Американские образцы продемонстрировали самую высокую устойчивость, хотя некоторые европейские образцы также показали хорошие результаты.
Анализ GWAS успешно идентифицировал шесть QTL, на которые в совокупности приходится 58% вариаций устойчивости к антракнозу. Два из них были основными QTL, расположенными на хромосоме 8. Также были обнаружены четыре дополнительных QTL, каждый из которых вносит менее 5% в вариацию. Один из этих незначительных QTL был расположен рядом с основным геном устойчивости на хромосоме 4 у Medicago truncatula, близкородственного растения, часто используемого в качестве модельного вида для люцерны. Наличие аналогичной области устойчивости у люцерны предполагает консервативный генетический механизм устойчивости к антракнозу у этих родственных видов.
Помимо идентификации этих конкретных генетических областей, в исследовании INRAE также оценивалась эффективность «геномного прогнозирования» устойчивости к антракнозу.
Геномное прогнозирование использует генетическую информацию от большого количества маркеров по всему геному для прогнозирования производительности индивидуумов или их потомства еще до того, как они будут физически выращены и оценены. Это позволяет значительно ускорить циклы размножения. Прогностическая способность к резистентности к антракнозу в этом исследовании была удивительно высокой, достигая 85%. Эта высокая прогностическая способность особенно примечательна по сравнению с предыдущими попытками геномной селекции люцерны.
Более ранние исследования, в которых также использовалось генотипирование путем секвенирования (GBS) и изучалось геномное прогнозирование, часто сообщали о более низкой точности прогнозирования для более сложных признаков, таких как урожайность или стрессоустойчивость.
Например, одно исследование по геномной селекции на урожайность люцерны установило прогностическую точность в диапазоне от 0,30 до 0,35, в то время как исследование, сосредоточенное на устойчивости к засухе и солености, сообщило о предсказательных способностях, превышающих 0,20 для некоторых сред, но также отметил осложнения из-за быстрого «распада неравновесия сцепления» (тенденция генетических маркеров, расположенных близко друг к другу на хромосоме, наследоваться вместе, что может быстро уменьшаться в течение нескольких поколений у люцерны из-за ее сложной генетики).
Значительно повышенная точность резистентности к антракнозу в текущем исследовании предполагает, что для таких признаков, как устойчивость к болезням, которые могут контролироваться меньшим числом основных генов, геномное прогнозирование может быть исключительно эффективным.
Результаты INRAE весьма многообещающие. Они не только обеспечивают точное местоположение генов устойчивости к антракнозу у люцерны, но и демонстрируют большой потенциал использования молекулярных маркеров и геномного прогнозирования для эффективного повышения устойчивости к болезням в будущих программах селекции люцерны. Эта работа, основанная на растущем объеме знаний из геномных исследований люцерны, прокладывает путь к выведению более устойчивых и продуктивных сортов люцерны, способствуя созданию более устойчивых сельскохозяйственных систем.
Источник: American Society of Agronomy.