Новое исследование показало, что эгилопс цилиндрический, дикий злак, близкородственный пшенице, является мощным генетическим резервуаром устойчивости к разрушительному грибному патогену Zymoseptoria tritici – возбудителю септориоза пшеницы. Эти результаты открывают возможности для выведения более устойчивых сортов пшеницы и снижения глобальной зависимости от химических фунгицидов.
Ожидается, что население Земли увеличится почти на 2 миллиарда человек в течение следующих 30 лет, что приведет к высокому спросу на продовольствие. Поэтому борьба с патогенами, заражающими сельскохозяйственные культуры, важна как никогда.
Мягкая пшеница (Triticum aestivum) является одним из важнейших злаков для потребления человеком, и ее производство постоянно находится под угрозой со стороны грибных патогенов, таких как возбудитель септориозной пятнистости Zymoseptoria tritici. Гемибиотрофный аскомицет Z. tritici является причиной самых высоких потерь урожая пшеницы в Европе, вызывая пятнистость листьев.
Инфекция инициируется бесполыми пикнидиоспорами или половыми аскоспорами, которые прорастают на поверхности листьев. Грибные гифы проникают в ткань мезофилла через открытые устьица. На биотрофной стадии заражения симптомы не видны, так как гриб подавляет и обходит иммунную систему растения, чтобы распространиться в апопластном пространстве ткани мезофилла. Впоследствии некротрофная стадия заражения инициируется неизвестным пока процессом, который приводит к гибели клеток хозяина и развитию пикнид, заполненных бесполо образованными пикнидиоспорами в подустьичной полост. В конце концов, пикнидиоспоры распространяются брызгами дождя, вызывая заражение новых листьев. Половая стадия Z. tritici описана хуже, хотя половая рекомбинация периодически происходит на пшеничных полях.
Таким образом, фитопатогенный гриб Zymoseptoria tritici является возбудителем опустошительной септориозной пятнистости листьев, одной из основных болезней пшеницы, с ограниченными идентифицированными у культуры генами устойчивости. Известно, что устойчивость пшеницы к Z. tritici включает как количественные, так и качественные признаки; однако, только три гена устойчивости (гены R) были клонированы и описаны.
Исследовательская группа под руководством Евы Штукенброк из Ботанического института в Киле (Германия) и Института эволюционной биологии Общества Макса Планка в Плёне (Германия) обнаружила, что эгилопс цилиндрический (Aegilops cylindrica) обладает уникальными защитными механизмами, отсутствующими у культурной пшеницы. Объединив генетический и микроскопический анализы, исследователи выявили, что устойчивость к Z. tritici у этого дикого родственного пшенице вида формируется на ранней стадии заражения — непосредственно в устьицах листьев, через которые гриб обычно проникает в растение.
Более того, профилирование транскриптома показало, как вирулентные изоляты грибов подавляют ключевые гены, связанные с иммунитетом, тогда как эгилопс сохраняет их экспрессию при заражении авирулентными и специализированными для пшеницы изолятами для блокирования инфекции.
«Больше всего нас воодушевляет, — отметила Штукенброк, — то, что Aegilops cylindrica даёт совершенно новые знания об иммунитете растений к Z. tritici, которые ранее были неизвестны для пшеницы. Это открытие открывает селекционерам новые возможности для повышения устойчивости и разработки более устойчивых стратегий борьбы».
Это первое исследование, в котором удалось получить транскриптомную сборку A. cylindrica, вида с более простым геномом, но при этом с сильными параллелями с патогенами, характерными для пшеницы. Результаты не только выявляют новые гены-кандидаты на устойчивость, но и проливают свет на то, как Z. tritici преодолевает защитные механизмы растений, подавляя ключевые иммунные реакции — процесс, который Штукенброк называет «молекулярным саботажем».
Помимо влияния на улучшение пшеницы, эта работа способствует углублению знаний в области фитопатологии, генетики и устойчивого сельского хозяйства. Она подчёркивает ценность сохранения диких сородичей растений как источников скрытых признаков, которые могут помочь обеспечить мировые поставки продовольствия.
«Это исследование расширяет наши представления о взаимодействии растений и патогенов и предоставляет дорожную карту для разработки сортов пшеницы, способных противостоять одному из самых вредоносных заболеваний зерновых культур в мире», — пояснила группа.
Исследование опубликовано в журнале Molecular Plant-Microbe Interactions, DOI: 10.1094/mpmi-11-24-0147-r
Источник: American Phytopathological Society.