Команда американских ученых продолжает изучать генетику сои для повышения ее устойчивости к соевой цистообразующей нематоде. В рамках исследовательского проекта, финансируемого программой поддержки соеводства, они выявляют гены устойчивости, подбирают оптимальные комбинации признаков для достижения максимальной устойчивости и ищут нетрадиционные способы борьбы с вредителем. Результаты генетических исследований, проведенных в предыдущие десятилетия, теперь доступны для современных сортов сои, и цель команды — продолжать пополнять генетический резерв сои для повышения производительности фермеров.
С момента первого обнаружения в Соединенных Штатах 75 лет назад ученые расширили свои знания о соевой цистообразующей нематоде (soybean cyst nematode, SCN), изучая генетику соевого растения и саму нематоду. Исследователи также изучали методы борьбы, которые можно внедрить для снижения воздействия этого заболевания, которое в настоящее время является наиболее разрушительным для урожая сои в стране.
Команда ученых продолжает делать открытия в области генетики сои для борьбы с SCN, и они занимаются этим уже почти 20 лет при поддержке инвестиций из фонда Soy Checkoff от Объединенного совета по соевым бобам.
«В нашу команду входят Мэтью Хадсон из Университета Иллинойса, Эндрю Скабу из Университета Миссури, а я работаю в Университете Висконсина. Эндрю Скабу сменил Брайана Дирса после его выхода на пенсию из Университета Иллинойса. Переход прошел гладко, поскольку Эндрю — выдающийся специалист в области современной молекулярной селекции и исследований соевой цистообразующей нематоды», — говорит Эндрю Бент, руководитель проекта.
Хадсон — эксперт в области генетики и геномики, Скабу специализируется на селекции растений, а Бент — генетик и клеточный молекулярный биолог. Каждый из этих ученых пользуется большим уважением, но в совместной работе их сотрудничество и результаты приобретают синергетический эффект. Они занимаются улучшением устойчивости сои к нематоде спиралевидной нематоде.
Идентификация cqSCN-007
«Наша первая стратегия сосредоточена на генетическом локусе cqSCN-007, который был идентифицирован около 20 лет назад Брайаном Дирсом и его коллегами как новый источник устойчивости к этой нематоде. Его команда изучала Glycine soja, или дикую сою, на предмет новых генетических возможностей и обнаружила cqSCN-006 и cqSCN-007. Эти источники могут быть не так эффективны, как Rhg1, но они могут значительно повысить устойчивость к нематоде. Устойчивость к цистообразующей нематоде является количественным показателем, и каждый дополнительный элемент устойчивости может привести к увеличению урожая», — говорит Бент.
В 2021 году команда успешно определила ген cqSCN-006, вызывающий устойчивость к нематоде SCN, и теперь они работают над определением гена 007, который, по словам Бента, «ведет себя очень сложно». Но благодаря использованию новых технологий редактирования генов, таких как CRISPR, проект теперь продвигается быстрее.
«Мы не сможем понять, как работает ген 007, и селекционеры не смогут эффективно манипулировать им в интересах производителей, если не будем знать, что это за ген и какой белок он кодирует. Мы надеемся идентифицировать этот ген в течение следующего года, чтобы начать изучать его работу», — комментирует он.
Селекционеры уже выводят cqSCN-006 и cqSCN-007 в новые сорта сои, которые будут выпущены в ближайшие годы. Но в их распоряжении только первоначально обнаруженные версии. Когда будут обнаружены причинные гены, можно будет провести исследования на основе последовательности ДНК тысяч различных образцов сои и дикой сои, чтобы выявить различные и потенциально лучшие варианты. Знание гена также позволяет проводить целенаправленное редактирование генов для изменения экспрессии или последовательности белка. Поскольку это естественный признак сои, и изменяется лишь несколько оснований ДНК, отредактированные продукты не столкнутся с полными регуляторными издержками, характерными для признаков, разработанных с использованием трансгенных методов, таких как устойчивость к гербицидам.
Улучшение работы генов Rhg1
Два основных источника устойчивости сои к цистообразующей нематоде — это варианты одного и того же локуса Rhg1: rhg1-a, обнаруженный в сое пекинского типа, и rhg1-b в сортах, полученных из PI 88788. Селекционеры и фермеры исторически предпочитали rhg1-b, поскольку с ним генетически проще работать, но нематоды постепенно эволюционируют, чтобы преодолеть устойчивость к rhg1-b , говорит Бент. Тем не менее, rhg1-b все еще может вносить значительный вклад в устойчивость к SCN на многих полях. Вирулентность SCN, или способность преодолевать генетическую устойчивость, сильно варьируется и может различаться в зависимости от местоположения. Как правило, вирулентные популяции появляются в пределах одного поля и распространяются, снижая эффективность специфических генов устойчивости, таких как rhg1-b. Вирулентность обычно измеряется с помощью специального теста типа HG, в котором оценивается репродуктивная способность SCN на известных устойчивых сортах сои. Этот тест является еще одним направлением исследований.
Во многих областях rhg1-b успешно применяется самостоятельно уже 40 лет, и результаты исследований проливают свет на то, почему он так хорошо себя зарекомендовал в качестве самостоятельного механизма защиты.
«Благодаря предыдущим исследованиям, финансируемым программой Soy Checkoff, мы узнали, что на самом деле существует три разных причинных гена, тесно связанных между собой в гене Rhg1, — говорит Бент. — Rhg1 кодирует три разных белка, и природа привела к очень тесной связи этих трех генов, чтобы создать свою собственную небольшую систему устойчивости».
Устойчивость к нематодам rhg1-b была лучшей доступной фермерам защитой и присутствовала в 95% соевого генофонда, указанного как устойчивый к нематодам. Эксперты по нематодам призывают фермеров чередовать сорта сои с устойчивостью к нематодам пекинского типа и типа PI 88788 в севообороте, чтобы снизить заражение нематодами и замедлить эволюцию местной популяции нематод. Бент говорит, что это работает, потому что нематоды, преодолевающие устойчивость к rhg1-a, часто не преодолевают устойчивость к rhg1-b, и наоборот.
Команда Бента работает над дальнейшим изучением того, как каждый из трех генов Rhg1 способствует устойчивости к нематоде. Это включает в себя существенное сотрудничество с учеными и селекционерами компании Corteva. Некоторые из новых исследований лаборатории UW-Madison показали, что два из трех генов rhg1-b по-прежнему способствуют устойчивости к HG 2.5.7, одному из наиболее распространенных типов популяций SCN, которые все лучше справляются с устойчивостью к rhg1-b.
«Этот впечатляющий результат говорит о том, что мы на правильном пути, сосредоточившись на этих генах, кодируемых ими белках и принципах их работы», — говорит он.
Благодаря этим исследованиям фермеры смогут получить улучшенный генофонд в течение пяти-десяти лет. Бент отмечает, что селекция растений — это длительный процесс, и фермеры только сейчас начинают извлекать выгоду из исследований в области селекции растений, проведенных в прошлом десятилетии.
«Поддержка исследований соевым чеком имеет решающее значение и оказывает существенное влияние. Например, три или четыре открытия нашей команды, сделанные в рамках проектов, финансируемых фермерами, были внедрены в селекционную отрасль сои и улучшили процесс селекции на устойчивость к нематоде сои, а также на другие признаки», — комментирует он.
Комбинации QTL-доменов
Хотя локусы rhg1-a и rhg1-b оказались эффективными, популяции этих нематод могут эволюционировать с течением времени и стать проблемой даже на ранее устойчивых сортах сои. Команда исследователей изучает способы восстановления устойчивости. Сочетание устойчивости, обеспечиваемой локусом Rhg1, с другими локусами должно повысить устойчивость.
«Мы хотим узнать о других локусах количественных признаков, или QTL, которые мы можем комбинировать с Rhg1 . Какие комбинации лучше всего подходят для борьбы с цистообразующей нематодой сои? Цель состоит в том, чтобы семенные компании выпускали сорта с альтернативными типами устойчивости, чтобы фермеры могли чередовать источники устойчивости к нематоде сои. Это повысит устойчивость к нематоде», — говорит Бент.
Скабу и его команда из Миссури тестируют все возможные комбинации как минимум пяти QTL, чтобы выявить линии сои с такими генетическими комбинациями, а затем определить, какие из них лучше всего сочетаются друг с другом.
«Мы хотели бы порекомендовать „рецепт“, который подвергает нематод воздействию только определенных механизмов устойчивости и не подвергает их воздействию других механизмов в конкретный год. Для тестирования требуется опыт, деньги, время и много труда. Я думаю, никто в государственном секторе не делает это лучше, чем лаборатория Скабу», — говорит Бент.
Применение агрохимикатов в борьбе с соевой цистообразующей нематодой
Четвертую стратегию возглавляет Мэтт Хадсон из Университета Иллинойса. Его команда изучает химические обработки, применяемые в середине сезона для повышения устойчивости к SCN, независимо от генетических особенностей.
«Эти химические обработки можно применять с переменной скоростью, возможно, с помощью дрона, на участках поля с высокой концентрацией нематод, чтобы стимулировать повышение устойчивости к нематодам», — объясняет Бент.
Команда завершила тепличные испытания с продуктами, уже имеющими коммерческую доступность и лицензированными для использования в сельском хозяйстве, чтобы определить наиболее перспективные химические варианты. Бент отмечает, что в команде налажено хорошее и продуктивное сотрудничество, направленное на достижение поставленных целей. Идеи обсуждаются, стратегии и результаты частично совпадают, что помогает команде ускорить общую работу.
Источник: SRIN. Автор: Кэрол Браун. На заглавном фото вы видите корни сои, пораженные соевой цистообразующей нематодой. Автор фото: Сэм Маркелл, Университет штата Северная Дакота.