Ежегодно болезни сельскохозяйственных культур приводят к огромным потерям в сельскохозяйственном производстве, угрожая продовольственной безопасности и средствам к существованию миллионов фермеров. В Португалии инновационный проект AlViGen использует возможности геномики для борьбы с этими угрозами.
В проекте AlViGen принимают участие исследователи лаборатории InnovPlantProtect Руте Рего и Жуан Билро, прокладывая путь к новой эре надзора за сельскохозяйственными культурами и их защиты.
Совместная лаборатория InnovPlantProtect (InPP) была одобрена 27 июля 2018 года FCT – Фондом науки и технологий, получив наивысшую оценку после оценки международной группой, и юридически учреждена 24 января 2019 года как частная некоммерческая ассоциация.
InnovPlantProtect разрабатывает продукты до стадии доказательства концепции и решения лицензированы для коммерциализации. Эти концепции приведут к новым биопестицидам (пестицидам биологической природы) против вредителей и болезней, к новым формулам и матрицам для сельскохозяйственного применения, к новым сортам растений с желаемыми характеристиками, а также к новым методам диагностики и мониторинга вредителей и болезней.
Исследователи используют несколько технологий, включая киберфизические системы, робототехнику/дроны, датчики и искусственный интеллект. С ростом знаний геномики и объединением молекулярных методов, мониторинга и моделирования новых вредителей и болезней, InnovPlantProtect стремится производить инновационные решения для обеспечения целевой защиты конкретных культур.
Среди вредителей и болезней, которые уже отобраны и являются объектом деятельности InnovPlantProtect, — желтая ржавчина пшеницы, Xylella fastidiosa (вызывает пятнистость листьев или антракноз оливковых деревьев), бурая пятнистость груши Роша и пирикуляриоз риса.
Другими вредителями и болезнями, которые могут стать объектом деятельности InPP, являются, среди прочего, плодовая мушка Drosophila suzukii, поражающая различные фрукты, цефалоспориоз (почвенное грибковое заболевание, поражающее кукурузу), Trioza erytreae (переносчик позеленения цитрусовых) и гватемальская моль, личинки которой поражают, например, картофель. В настоящее время на рынке не существует эффективного решения для борьбы с этими вредителями и болезнями.
«Желтая ржавчина пшеницы и пятнистость листьев оливок - настоящие бедствия для португальских фермеров. Эти болезни могут уничтожить весь урожай, что приведет к серьезным экономическим потерям», - объясняет Руте Рего, исследователь проекта AlViGen.
Руте Рего, исследователь InnovPlantProtect, анализирует образцы гриба, вызывающего антракноз оливы, в рамках проекта AlViGen. Фото: InnovPlantProtect.
«Но AlViGen не просто смотрит на проблему. Команда использует передовые технологии для обнаружения и идентификации штаммов грибов, вызывающих эти заболевания, задолго до того, как проявятся симптомы. Мы используем ловушки для сбора спор, циркулирующих в воздухе. Эти ловушки позволяют нам отслеживать наличие грибов в режиме реального времени, что дает нам важное преимущество в профилактике инфекций. Однако настоящее волшебство происходит в лаборатории, где команда извлекает ДНК из спор и проводит расширенный геномный анализ, используя мощную технологию секвенирования ДНК, основанную на методе метабаркодирования, выполняемом с помощью передовых технологий, таких как портативный секвенатор Nanopore», - рассказывает ученый.
Чтобы лучше объяснить, что такое метабаркодирование и каково его преимущество в обнаружении видов или штаммов грибов, вызывающих заболевания сельскохозяйственных культур, исследователь приводит пример мешка, полного различных видов зерна: риса, бобов, кукурузы, который анализирует считыватель. «Метабаркодирование похоже на наклеивание уникальной этикетки («штрихкода») на каждый вид зерна. Затем вы можете смешать все зерна в одном образце и, прочитав этикетки, определить количество каждого вида присутствующего зерна», приводит аналогию Руте Рего.
В случае AlViGen этот метод позволяет одновременно анализировать несколько видов грибов (в нескольких образцах), каждый из которых имеет свой собственный генетический «штрихкод», и точно определять, какие именно грибы присутствуют, даже в небольших количествах.
И каково практическое значение этого метода для мониторинга и прогнозирования заболевания? Исследователи проекта AlViGen способны с высокой точностью определять момент, когда возбудитель начинает появляться на поле, что позволяет в режиме реального времени предупреждать фермеров о риске заболевания. Производители могут принимать профилактические меры и применять необходимые средства для предотвращения заражения, способствуя быстрому и эффективному реагированию в профилактике заболеваний.
Исследования AlViGen не ограничиваются выявлением микроорганизмов, вредных для сельскохозяйственных культур, ученые выясняют их эволюцию и разнообразие. Другой исследователь проекта, Жуан Билро, занимается изучением филогении гриба Colletotrichum, микроорганизма, вызывающего антракноз - заболевание, поражающее оливковые рощи в Португалии. Это заболевание снижает качество масла.
Жуан Билро, биоинформатик из InnovPlantProtect, изучает филогению гриба Colletotrichum в рамках проекта AlViGen. Фото: InnovPlantProtect.
«Филогенетика имеет решающее значение для понимания того, как связаны между собой различные штаммы Colletotrichum и как они эволюционировали с течением времени, - объясняет Жуан. - Точно так же, как генеалогическое древо прослеживает историю семьи, показывая, как члены связаны друг с другом, филогенетические деревья раскрывают эволюционные связи между различными штаммами этого гриба. Каждая ветвь дерева представляет собой эволюционную линию, а узлы указывают на общих предков. Сравнивая последовательности ДНК этих штаммов, мы можем реконструировать их эволюционную историю, определяя, какие из них генетически ближе или дальше, и, таким образом, выводить такие характеристики, как вирулентность или устойчивость к фунгицидам».
Эти знания позволяют исследователям выявлять закономерности распространения и адаптации гриба, что имеет важное значение для разработки более эффективных стратегий по сдерживанию и/или уменьшению ущерба, который этот патоген наносит португальским оливковым рощам.
«Одной из проблем нашего исследования является огромное генетическое разнообразие Colletotrichum, - признает Жуан. - Однако, раскрывая эволюционные секреты гриба, мы прокладываем путь к разработке более точных и целенаправленных методов обнаружения и контроля».
Проект AlViGen направлен на оказание существенного влияния на сельскохозяйственный ландшафт, особенно в Алентежу, регионе с сильными сельскохозяйственными традициями. Предоставляя фермерам инструменты раннего обнаружения и точную информацию о болезнетворных микроорганизмах в сельскохозяйственных культурах, проект направлен на оказание помощи в принятии решений, что позволит фермерам защитить свои посевы и сократить производственные потери.
«Наша конечная цель - предоставить фермерам знания и инструменты, необходимые им для устойчивой защиты своих культур. Мы считаем, что геномный надзор является ключевым инструментом для будущего защиты растений», заключила Руте.
Жуан Билру соглашается и добавляет: «Непрерывные исследования необходимы для мониторинга эволюции вредных микроорганизмов и разработки новых и эффективных стратегий контроля. В будущем мы надеемся расширить сферу применения AlViGen, включив в нее другие микроорганизмы и культуры, и сделать геномный надзор доступным инструментом для всех фермеров».
Источник: InnovPlantProtect.
На фото Руте Рего и Жуан Билро обсуждают идеи проекта AlViGen. Фото: InnovPlantProtect.
