После десятилетий исследований механизмов устойчивости сорных растений к параквату и с наличием современных инструментов биоинженерии, так как редактирование генов, культуры с устойчивостью к параквату не выглядят невозможными.
Портал AgroXXI.ru ознакомился со статьей международного коллектива исследователей из Китая, Австралии и США, в котором оцениваются перспективы разработки культур с устойчивостью к параквату.
Паракват является одним из наиболее широко используемых неселективных гербицидов в мире. Хотя возникновение устойчивости сорняков к параквату прогрессировало относительно медленно с момента первого зарегистрированного случая в Японии в 1980 году, оно неуклонно росло. За последнее десятилетие исследования, особенно на модельных растениях, таких как Arabidopsis thaliana, продвинули понимание механизмов, лежащих в основе устойчивости растений к параквату.
Паракват, также известный как метилвиологен, входит в тройку наиболее широко используемых неселективных гербицидов из-за своего быстрого действия (уничтожение зеленой растительной ткани при контакте) и частичной инактивации при контакте с почвой.
Паракват был впервые произведен и продавался компанией Imperial Chemical Industries в начале 1960-х годов под торговым названием Gramoxone. Классифицированный в группе HRAC 22, паракват функционирует как окислитель, который нарушает перенос электронов. В частности, он принимает электроны от ферредоксина в фотосистеме I растения (PSI) и переносит их на молекулярный кислород, что приводит к образованию деструктивных активных форм кислорода (ROS). Это приводит к быстрому увяданию листьев и некрозу - симптомам, которые могут проявиться в течение нескольких часов, при этом чувствительные растения обычно погибают в течение пары дней.
Устойчивость сорняков к параквату развивается относительно медленно по сравнению с другими гербицидами, и паракват часто используется для управления популяциями сорняков, которые развили устойчивость к другим способам действия. Например, в Австралии стратегия «двойного удара» включает в себя первое опрыскивание сорняков широко используемым неселективным гербицидом глифосатом (группа HRAC 9), а затем через 7–10 дней — применение параквата перед посадкой урожая.
Тем не менее, сообщалось о популяциях сорняков [например, райграс (Lolium rigidum Gaudin)], развивающих устойчивость как к глифосату, так и к параквату. На сегодняшний день устойчивость к гербициду параквату была зарегистрирована у 33 видов растений (76 случаев) по всему миру.
Механизмы устойчивости к гербицидам обычно подразделяются на две категории: устойчивость к целевому сайту (target-site resistance, TSR) и устойчивость к нецелевому сайту (non-target-site resistance, NTSR). TSR возникает, когда структурные изменения в месте связывания гербицида (например, мутации в генах, кодирующих целевой белок) снижают связывающую способность гербицида или когда изменяется количество мишени.
Напротив, NTSR охватывает механизмы, которые снижают количество гербицида, достигающего целевого сайта, такие как снижение абсорбции и транслокации и увеличение секвестрации или метаболической деградации (например, через монооксигеназы цитохрома P450, конъюгацию глутатион-S-трансферазы и другие ферменты).
Улучшенная детоксикация также может быть результатом общей повышенной толерантности к стрессу (т. е. более высокой способности поглощать активные формы кислорода). В то время как устойчивость ко многим гербицидам развивается либо из-за изменений в месте воздействия, либо из-за повышенной способности метаболизировать гербицид в менее токсичные метаболиты, в случае параквата другие механизмы (такие как снижение поглощения и транслокации, а также усиление секвестрации), по-видимому, играют более значительную роль.
Например, три белка-транспортера L-аминокислот (L-amino acid transporter, LAT) (LAT1/3/4) и один (PDR11), принадлежащие к подсемейству PDR (плейотропная лекарственная устойчивость - pleiotropic drug resistance) в семействе транспортеров ABC (кассетные транспортеры, связывающие АТФ-синтазу), как было подтверждено, проявляют активность транспортера параквата; кроме того, такие транспортеры, как DTX6 (переносчик детоксикационного оттока), могут экспортировать/секвестрировать паракват внутри клетки в вакуоль и апопласт, что придает более сильную устойчивость к параквату - к почти коммерческим дозам.
Стоит отметить, паракват теперь сталкивается с неопределенным будущим из-за стечения ряда факторов, среди которых главную роль играют возможные экологические риски, что привело к полному или частичному запрету во многих странах.
Например, в Соединенных Штатах паракват не полностью запрещен, но классифицируется как пестицид с ограниченным использованием, который может использоваться только лицензированными аппликаторами и запрещен на полях для гольфа и других рекреационных зонах Агентством по охране окружающей среды (EPA).
Хотя прогнозируется, что использование этого гербицида в Северной Америке возрастет, кампании по запрету параквата продолжаются во всем мире, особенно в развитых странах, таких как Соединенные Штаты и Австралия. Так, более 50 законодателей США призвали EPA запретить паракват из-за его связи с болезнью Паркинсона и другими рисками для здоровья.
В Австралии Австралийское управление по пестицидам и ветеринарным препаратам (APVMA) предложило ограничить многие текущие высокие дозы применения — например, сократить максимальное годовое использование параквата в виноградниках с 800 г до 45 г д.в. на га — когда риски для окружающей среды или краткосрочный риск отравления не могут быть адекватно снижены. При более низкой дозе параквата эффективность борьбы с сорняками, вероятно, значительно снизится.
С другой стороны, дешевый и популярный паракват, вероятно, останется широко доступным во многих развивающихся странах. В ответ на это некоторые производители разработали новые формулы, такие как гранулированные и гелевые формы, в попытке снизить риски неправильного обращения и соответствовать нормативным требованиям. И совсем недавно исследователи обнаружили прогербицид параквата, диендиамин, который является «восстановленной» формой параквата, которая превращается обратно в паракват под действием естественного солнечного света и в условиях окружающей среды, предлагая потенциальную, более безопасную альтернативу для устойчивого сельского хозяйства во всем мире.
Генетически модифицированные (ГМ) культуры, разработанные для устойчивости к гербицидам, широко применяются с 1990-х годов в качестве части комплексных стратегий борьбы с сорняками, в первую очередь за счет использования глифосата или глюфосината в сочетании с устойчивыми сортами культур, такими как соя, кукуруза, хлопок и рапс. Примечательно, что также есть утверждения, что ГМ культуры усугубили риск отбора на устойчивость к гербицидам, но это является спорным, и ГМ культуры занимают свою нишу как как компонент более широко интегрированных систем борьбы с сорняками.
Ранние исследования, изучающие наследование устойчивости к параквату, показали, что один основной ген отвечает за естественно развившуюся устойчивость к параквату у различных сорняков, что делает ГМ культуры с устойчивостью к параквату весьма осуществимыми.
Однако из-за ограниченного понимания молекулярных механизмов ранние попытки спроектировать устойчивость к параквату у растений посредством сверхэкспрессии или нокаута генов давали лишь скромную устойчивость (обычно менее чем 5-кратное увеличение и устойчивость к менее чем 10 мкМ параквата).
С ростом понимания молекулярных механизмов устойчивости к параквату у растений, в частности A. thaliana, теперь доступно больше генетических локусов для разработки устойчивых к параквату растений.
Например, растения риса с РНК-интерференцией, нацеленной на OsPAR1 , демонстрируют высокую устойчивость и выживают при 140 мкМ параквата в условиях полевого опрыскивания.
Месячные растения риса с направленным мутагенезом OsPUT1/2/3 с CRISPR/Cas9 выживают при концентрации параквата до 200 мкМ в условиях опрыскивания листьев.
Еще более многообещающим было недавнее исследование A. thaliana, которое продемонстрировало, что сверхэкспрессия DTX6D, транспортера, участвующего в секвестрации параквата, придавала сильную устойчивость к почти коммерческим дозам параквата до 4 мМ.
Однако, поскольку DTX6 опосредует секвестрацию параквата как в апопласте, так и в вакуоли, и больше параквата может быть распределено в клетках и сохраняться в течение длительного периода, существует серьезная обеспокоенность по поводу остатков параквата, накапливающихся в тканях растений, что поднимает вопросы безопасности пищевых продуктов.
Поэтому, хотя объединение генов для неперекрывающихся механизмов устойчивости является привлекательной стратегией, разработка культур, которые могут метаболизировать паракват в нетоксичные соединения, была бы идеальным решением, но эта цель остается далекой.
С достижениями в области инструментальных средств, методов, данных мультиомики и крупномасштабного прогнозирования структуры белка с помощью искусственного интеллекта (ИИ) и пересмотра более ранних исследований по высокой устойчивости к параквату для возможных метаболических механизмов, особенно в случаях, когда поглощение и транслокация не являются основными причинами, можно ожидать значительных прорывов.
Учитывая, что резуховидка Таля A. thaliana – модельный организм, как правило, очень чувствителен к параквату, он может быть не лучшей моделью для идентификации генов, которые обеспечивают высокую устойчивость к параквату, особенно на метаболическом уровне.
Необходимы глубокие молекулярные исследования не только модельных растений, таких как A. thaliana, но и сельскохозяйственных культур, таких как рис, пшеница и кукуруза, а также высокоустойчивых сорных видов (например, различные виды райграса), особенно с учетом большого расхождения в уровнях устойчивости между модельными растениями и сорняками.
Райграс (в основном L. rigidum и L. perenne), который часто используется как кормовая культура или газонная трава и более тесно связан с основными зерновыми культурами, и для которого в настоящее время доступны качественные геномные ресурсы и системы трансформации/редактирования генов, может служить хорошей моделью сорного растения для исследований устойчивости к гербицидам, включая паракват.
Одним из возможных недостатков может быть его высокая скорость ауткроссинга, что может затруднить генетический анализ. Учитывая это, элевзина индийская (Eleusine indica) может быть хорошей альтернативой, которая в первую очередь является самоопыляющимся диплоидным видом со способностью производить большое количество семян. Как и Lolium rigidum, он, как сообщается, обладает высокой устойчивостью к нескольким гербицидам, включая паракват.
Небольшие (~500 Мб) и легкодоступные высококачественные данные о геноме и эффективная система генетической трансформации, опосредованная агробактериями, еще больше делают Eleusine indica многообещающим выбором.
Одним особенно интересным явлением является температурно-зависимая устойчивость к параквату, наблюдаемая у некоторых видов сорняков, включая райграс. Независимо от того, вызвано ли это дополнительным стрессом при высоких температурах (учитывая, что они являются растениями C3, которые оптимально растут в прохладных условиях), температурная зависимость биохимических процессов, измененная функция/стабильность мембраны, различия в активности транспортеров, транспортировка белков или другие механизмы требуют дальнейшего детального исследования. В частности, экспрессия гена desA цианобактерий (кодирующего Δ12 ацил-липидную десатуразу) в картофеле (Solanum tuberosum) улучшила толерантность к окислительному стрессу, вызванному паракватом, что объясняется лучшим поддержанием структуры и функции клеточной мембраны. Кроме того, дальняя транслокация параквата зависит от света, что делает механизм устойчивости к параквату более интригующим и также требует дальнейшего изучения.
В исследовании принимали участие Китайский сельскохозяйственный университет, Университет Западной Австралии, со стороны США - Университет штата Делавэр и Политехнический институт Вирджинии и Государственный университет.
По статье группы авторов (Лиюнь Чжан, Чанг Сюй, Хэпин Хань, Шон Эскью, Эрик Эрвин, Цинь Юй, Кехуа Ван), опубликованной в журнале Agriculture 2025 на портале www.mdpi.com. doi.org/10.3390/agriculture15121288