Гессенская муха (лат. Mayetiola destructor) — это один из самых опасных в мире вредителей зерновых культур, способный полностью уничтожать урожаи пшеницы, ячменя и ржи. Несмотря на название, внешне насекомое выглядит как крошечный темно-серый комарик длиной всего 2,5–3,5 мм с длинными лапками. Вредят личинки, которые выделяет со слюной особые токсичные белки (эффекторы), заставляющие растение выделять питательный сок. Поврежденный стебель истощается, растение становится темно-зеленым или синеватым, перестает расти (куститься) и часто погибает еще на стадии всходов. У более взрослых злаков стебли в местах кормежки истончаются, ломаются от ветра, а колос либо не формируется, либо дает пустое, сморщенное зерно. Бороться с гессенской мухой инсектицидами крайне тяжело: личинки надежно защищены слоями листьев внутри стебля. Поэтому ученые разрабатывают сорта пшеницы, которые смогут «распознавать» слюну личинки и уничтожать вредителя сами.
Исследователи из Университета Мэриленда и их коллеги клонировали ген, который делает пшеницу устойчивой к поеданию личинками гессенской мухи, и продемонстрировали его прямое взаимодействие с белком, вырабатываемым этим насекомым. Это исследование преодолевает давний барьер на пути понимания и разработки методов повышения устойчивости пшеницы к вредителям. Результаты описаны в научной статье, опубликованной в журнале Science Advances.
«Для нас это очень волнительно, потому что это первый случай, когда кому-либо удалось клонировать гены устойчивости к вредителям у пшеницы и продемонстрировать прямое взаимодействие между геном и конкретным белком насекомых-вредителей, с которым он взаимодействует», — сказала Нидхи Рават, доцент кафедры растениеводства в Мэрилендском университете и соавтор статьи.
Гессенские мухи — это крошечные насекомые, похожие на комаров, которые наносят ущерб зерновым культурам, таким как пшеница, ячмень и рожь, на сотни миллионов долларов по всему миру и ежегодно снижают урожайность пшеницы в США примерно на 5%. В отличие от других вредителей, которые поедают урожай напрямую, личинки гессенских мух выделяют химические вещества через слюну в клетки растений. Эти вещества превращают клетки в аномальные разрастания, которые питают личинку, одновременно лишая растение питательных веществ.
Свое имя вредитель получил во время Войны за независимость США (1775—1783 гг.). Предполагается, что насекомое случайно завезли в Северную Америку из Европы вместе с соломенными подстилками для лошадей гессенские солдаты — немецкие наемники, воевавшие на стороне Великобритании. Попав на новые поля, «муха» устроила настоящее опустошение.
У пшеницы есть несколько генов, которые помогают растению защищаться от химических веществ в слюне личинок гессенской мухи, но за 50 лет попыток ученым так и не удалось продемонстрировать, как эти гены взаимодействуют с белками в слюне личинок и запускают иммунный ответ. Это означает, что они не смогли понять, как работает устойчивость к гессенской мухе.
Для наблюдения за реакциями конкретных генов и белков ученым необходимо выделить целевой ген, часто клонируя его в другом организме, например, в дрожжах или бактериях, которые быстро размножаются и производят миллионы идентичных копий этого гена.
Однако геном пшеницы большой и сложный, содержащий множество повторяющихся последовательностей ДНК, что делает идентификацию и клонирование отдельных генов устойчивости практически невозможными. Рават и ее коллеги разработали новые геномные инструменты для точного определения местоположения гена устойчивости к гессенской мухе H13 и успешно вырастили в лабораторных условиях культуры пшеницы с избыточной экспрессией этого гена.
Когда ген H13 обнаруживает определенный белок в слюне личинок, он дает команду соседним клеткам отмирать, а окружающим клеткам — укреплять свои стенки, делая их более труднопроницаемыми. Ген H13 также заставляет клетки пшеницы вырабатывать молекулы, токсичные для личинок. Это действие перекрывает доступ к питательным жидкостям и тканям растения, вызывая голодание и отравление личинок.
После выделения гена и создания культур пшеницы с повышенной экспрессией H13, Рават и исследовательская группа смогли продемонстрировать активацию H13 специфическим белком в слюне личинок, подтвердив тем самым молекулярный механизм, позволяющий пшенице противостоять нападениям гессенской мухи.
Спустя пятьдесят лет после открытия генетической устойчивости к гессенской мухе исследователи теперь могут начать разработку генетического решения для борьбы с этим стойким сельскохозяйственным вредителем, поражающим производителей пшеницы в глобальном масштабе.
Источник: University of Maryland.