Транскриптомное профилирование впервые раскрывает молекулярные механизмы устойчивости к Fusarium oxysporum, опосредованной GmCML, у сои.
Портал AgroXXI.ru ознакомился со статьей коллектива Научно-исследовательского института сои Хэйлунцзянской академии сельскохозяйственных наук, в которой предлагаются пути решения проблемы фузариозной корневой гнили сои путем селекции.
Соя входит в число наиболее экономически важных сельскохозяйственных культур в мире. Однако при годовом мировом производстве, превышающем 350 миллионов метрических тонн на шести континентах, выращивание сои сталкивается с растущими проблемами, связанными с биотическими стрессами, в частности почвенными грибными заболеваниями, которые снижают урожайность на 10–60% в зависимости от условий окружающей среды и воздействия патогенов.
Фузариозная корневая гниль (Fusarium root rot, FRR) является одним из самых разрушительных почвенных заболеваний, поражающих сою во всем мире, вызывая значительные потери урожая и экономический ущерб.
В Северной Америке FRR снижает урожайность на 15–30 % на сильно пораженных полях, при этом годовые потери превышают 100 миллионов долларов только в Соединенных Штатах. Основные штаты-производители сои, включая Айову, Иллинойс, Индиану и Миннесоту, сообщают о широком распространении FRR, причем заболеваемость достигает 40–70 % на некоторых полях при благоприятных условиях для развития патогенов. В Южной Америке Бразилия и Аргентина, на которые вместе приходится около 50 % мирового производства сои, сталкиваются с растущим давлением болезни по мере интенсификации возделывания.
В Китае, который производит около 17 миллионов метрических тонн соевых бобов в год (что составляет около 8% мирового производства), фузариозная корневая гниль стала критической проблемой, угрожающей внутренней продовольственной безопасности и устойчивости сельского хозяйства. Заболевание особенно серьезно в северо-восточных провинциях Хэйлунцзян, Цзилинь и Ляонин, которые составляют основной пояс производства соевых бобов, представляющий более 40% посевных площадей Китая.
Недавние систематические исследования, проведенные в период с 2018 по 2022 год в этих провинциях, задокументировали тревожные показатели заболеваемости FRR: в провинции Хэйлунцзян на контролируемых полях зафиксировано 35–60% случаев заболевания, в провинции Цзилинь — 25–50%, а в провинции Ляонин — 30–55% случаев заболевания.
Тяжесть заболевания заметно усилилась в системах непрерывного выращивания сои, которые становятся все более распространенными из-за интенсификации сельского хозяйства и ограниченных возможностей севооборота. Экономический анализ оценивает, что фузариозная корневая гниль сои приводит к ежегодным потерям приблизительно в 2–3 миллиона метрических тонн на северо-востоке Китая, что оценивается в более чем 800 миллионов долларов США на основе текущих цен на сырьевые товары.
Помимо количественного снижения урожайности, заболевание серьезно подрывает качество семян за счет снижения скорости прорастания (часто на 15–30% в умеренно зараженных партиях семян), снижения содержания белка (снижение на 2–5 процентных пунктов), снижения содержания масла (снижение на 1–3 процентных пункта) и загрязнения микотоксинами, что еще больше снижает товарность и экономическую ценность собранного урожая.
FRR вызывает комплекс видов Fusarium, при этом F. solani, F. acuminatum, F. graminearum и F. oxysporum чаще всего описываются как возбудители.
Хотя F. solani исторически считался преобладающим патогеном во многих регионах, недавние комплексные исследования патогенов выявили значительные различия в составе видов в зависимости от географического положения, почвенных условий, факторов окружающей среды и истории возделывания сельскохозяйственных культур.
На северо-востоке Китая, где было сосредоточено данное исследование, систематические полевые обследования и исследования по изоляции патогенов, проведенные в течение трех вегетационных сезонов (2019–2021), выявили F. oxysporum как значимого и все более распространенного возбудителя корневой гнили сои, особенно на полях с длительной монокультурой сои (≥3 последовательных лет).
Данные о частоте выделения из 450 образцов больных растений, собранных на 75 полях провинции Хэйлунцзян, показали, что F. oxysporum составил 38% от общего числа выделенных изолятов, за ним следовали F. solani (32%), F. graminearum (18%) и F. acuminatum (12%).
Анализы патогенности показали, что изоляты F. oxysporum из этого региона проявляли уровни вирулентности, сопоставимые или превышающие уровни изолятов F. solani при инокуляции восприимчивых сортов сои в контролируемых условиях.
В отличие от синдрома сосудистого увядания, вызываемого особыми формами F. oxysporum в других культурах (например, F. oxysporum f. sp. lycopersici в томате), изоляты, выделенные из больных корней сои на северо-востоке Китая, вызывают типичные симптомы корневой гнили, включая побурение стебля, обширный некроз и значительное снижение развития корневой системы без характерного изменения цвета сосудов.
Эти патогены демонстрируют замечательную почвенную стойкость, выживая в виде хламидоспор в течение длительных периодов (часто 5–10 лет при отсутствии растений-хозяев) и заражая через корневые раны, естественные отверстия или прямое проникновение в корневые ткани.
После первоначальной колонизации они проникают в сосудистые ткани, нарушают транспорт воды и питательных веществ за счет окклюзии сосудов и выработки токсинов и вызывают характерные симптомы заболевания: некроз корней, побурение сосудов, хлороз листьев, задержка роста и, в конечном итоге, гибель растения. Заболевание оказывается особенно проблематичным в системах непрерывного земледелия и на плохо дренированных почвах, где плотность инокуляции патогена может достигать экономически разрушительных уровней.
Текущее управление фузариозной корневой гнилью сои в значительной степени зависит от химических фунгицидов, севооборота и агротехнических приемов.
Однако эти подходы сталкиваются со значительными ограничениями:
экологические проблемы, связанные с применением фунгицидов, быстрое развитие устойчивости к фунгицидам в популяциях патогенов,существенные экономические ограничения для мелких фермеров и непостоянная эффективность в различных производственных средах и комплексах видов патогенов.
Следовательно, разработка генетически устойчивых сортов представляет собой наиболее экономически жизнеспособное, экологически устойчивое и широко применимое долгосрочное решение для управления болезнями, однако ограниченное понимание механизмов устойчивости сдерживает прогресс селекции.
В этом исследовании был проведен сравнительный транскриптомный анализ между высокоустойчивыми (Xiaoheiqi) и восприимчивыми (L83-4752) образцами сои после инокуляции патогеном в четырех временных точках (через 8–17 дней после заражения).
Анализ РНК-секвенирования идентифицировал 1496 дифференциально экспрессируемых генов после заражения патогеном. Анализ обогащения пути KEGG выявил значительное обогащение в сигнальном пути MAPK (12 генов) и пути взаимодействия растение-патоген (13 генов).
Восемь генов встречались одновременно в обоих путях, при этом GmCML (Glyma.10G178400) демонстрировал наиболее выраженную дифференциальную экспрессию среди этих кандидатов.
Этот ген кодирует 151-аминокислотный кальмодулин-подобный белок, демонстрирующий в 185 раз более высокую экспрессию в устойчивых растениях через 17 дней после инокуляции, что подтверждено валидацией qRT-PCR. Функциональная валидация через трансгенную сверхэкспрессию волосатых корней показала, что GmCML значительно повышает устойчивость к болезням за счет координированной активации антиоксидантных защитных систем.
Сверхэкспрессия GmCML в трансгенной сое повышает устойчивость к F. oxysporum за счет модуляции активности антиоксидантных ферментов (супероксиддисмутаза, SOD; пероксидаза, POD; каталаза, CAT) и накопления осморегуляторных веществ (пролин и растворимые сахара).
Популяционно-генетический анализ 295 различных образцов сои выявил три гаплотипа GmCML на основе полиморфизмов промоторной области. Два благоприятных варианта (Hap2 и Hap3) обусловили значительно более низкие индексы болезней и продемонстрировали доказательства положительного отбора в процессе одомашнивания, что указывает на эволюционную важность в устойчивости к болезням.
Данное исследование впервые комплексно характеризует роль GmCML во взаимодействии сои с грибами рода Fusarium, устанавливая, что этот кальмодулин-подобный белок является регуляторным узлом, связывающим кальциевую сигнализацию с координированными защитными реакциями.
Выявленные природные варианты и функциональные механизмы предлагают проверенные мишени для маркер-ассистированной селекции и генной инженерии, направленных на повышение устойчивости сои к болезням.
Источник: Plants 2025, doi.org/10.3390/plants14203222