В 2013 году фермеры в высокогорных районах Эфиопии начали замечать нечто тревожное: знакомый сорт пшеницы начал увядать необычным образом. Стебли ослабевали, растения погибали, и поля, которые когда-то были устойчивы к болезням, внезапно стали уязвимыми. Три года спустя та же тревога возникла за тысячи километров оттуда, когда урожай пшеницы на Сицилии, включая ценные сорта твердой пшеницы, предназначенные для производства макаронных изделий, погиб от быстро распространяющейся ржавчины стебля, которая поставила в тупик местных фермеров.
На первый взгляд, эти эпидемии казались отголоском известной угрозы. С конца 1990-х годов высоковирулентный штамм стеблевой ржавчины пшеницы, известный как Ug99, представлял серьезную угрозу для глобальной продовольственной безопасности, и его распространение тщательно отслеживалось учеными и сетями наблюдения. Но когда исследователи внимательнее изучили ситуацию в Эфиопии и Италии, картина начала меняться.
Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Communications, дают наиболее ясное на сегодняшний день генетическое объяснение того, как возникают крупные вспышки стеблевой ржавчины.
Используя достижения в области секвенирования ДНК с длинными прочтениями и сборки генома на уровне хромосом, исследовательская группа реконструировала полные, фазированные геномы двух штаммов стеблевой ржавчины, вызвавших эти вспышки.
Результаты оказались поразительными. Ни один из штаммов на самом деле не являлся потомком Ug99. Они также не были тесно связаны друг с другом. Вместо этого каждый из них возник независимо, сформировавшись по собственному эволюционному пути.
«Мы выяснили происхождение Ug99 еще в 2019 году. Происхождение этих новых штаммов обусловлено различными генетическими изменениями в патогене», — сказала доктор Мелания Фигероа, ведущий научный сотрудник CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation — главное государственное объединение научных и прикладных исследований Австралии).
Понимание того, откуда берутся эти вспышки заболеваний и почему разрушается устойчивость к ним, является одним из самых важных нерешенных вопросов в исследованиях болезней сельскохозяйственных культур.
Теперь исследователи CSIRO совместно с международными коллегами обнаружили важную часть ответа, изучив геном патогена стеблевой ржавчины пшеницы с беспрецедентной детализацией.
Молекулярная система сигнализации
Ржавчина стебля пшеницы вызывается грибом, который поражает растения, выделяя белки во время инфекции: Puccinia graminis, чаще всего его специализированная форма Puccinia graminis f. sp. tritici.
Доктор Питер Доддс, главный научный сотрудник CSIRO и соруководитель проекта, объяснил, что у устойчивых сортов пшеницы специфические гены устойчивости действуют как молекулярные сторожевые белки, обнаруживая эти белки и запуская защитную реакцию до того, как болезнь сможет поразить растение, тем самым спасая его.
«У растений нет такой же иммунной системы, как у людей, но принцип очень похож. Точно так же, как вакцины помогают нашему организму распознавать болезни, гены устойчивости позволяют растениям распознавать патоген на ранней стадии и реагировать», — сказал доктор Доддс.
Проблема в том, что патогены эволюционируют. Небольшие генетические изменения могут настолько изменить белки грибов, что они перестанут распознаваться. Когда это происходит, устойчивость, которая раньше работала на фермерских полях, может внезапно перестать действовать.
«Именно тогда и возникают вспышки или эпидемии, — сказал он. — Патоген фактически научился обходить защитные механизмы растения».
Расшифровка сложного генома
Отслеживание этих изменений долгое время представляло собой сложную задачу. Гриб, вызывающий ржавчину стебля пшеницы, содержит два отдельных генома в каждой клетке, что затрудняет установление связи между генетической изменчивостью и реальными последствиями заболевания.
Последние достижения в области геномики изменили ситуацию. Расшифровав и собрав каждый геном по отдельности — вплоть до отдельных хромосом — исследователи смогли точно определить вариации в небольшом, но критически важном наборе генов авирулентности. Эти гены определяют, распознает ли пшеница патоген и запускает ли защитную реакцию, или остается уязвимой для заражения.
Затем команда провела лабораторные исследования поведения десятков вариантов генов авирулентности, создав, на сегодняшний день, самый полный атлас этих генов для всех видов ржавчинных грибов.
«Впервые у нас есть четкий набор генов, за которыми нужно следить, чтобы понять, как стеблевая ржавчина вызывает эпидемии. Это дает нам мощный новый способ связать генетику с тем, что происходит в полевых условиях», — сказал доктор Доддс.
«Эта болезнь может опустошить пшеничные поля. Когда происходят вспышки, недостаточно знать, что устойчивость к болезни не сработала — нам нужно понять, как и почему это произошло на молекулярном уровне», — говорит доктор Фигероа.
Прошлое и будущее эпидемий стеблевой ржавчины
Одно из наиболее очевидных объяснений связано со вспышкой заболевания в Италии в 2016 году. Штамм, вызвавший это заболевание, имел полную делецию одного гена авирулентности, что позволило ему заражать сорта твердой пшеницы, которые полагались на специфический ген устойчивости.
«Это одно генетическое изменение фактически отключило систему оповещения растения, — сказала доктор Фигероа. — Как только вы видите его в геноме, вспышка внезапно становится понятной».
Что не менее важно, атлас выделяет гены устойчивости, которые могут оказаться более долговечными. Каждый проанализированный штамм распознавал одну мишень устойчивости, а это значит, что патогену потребуется два независимых генетических изменения, чтобы преодолеть её — гораздо более высокий эволюционный барьер.
«Такая информация помогает нам принимать более взвешенные решения о том, какие гены устойчивости использовать. Речь идет о том, чтобы опережать патоген, а не постоянно догонять его», — поясняет ученый.
Как геномика может обеспечить устойчивость защитных механизмов пшеницы
Помимо селекции, эта работа имеет важное значение для мониторинга заболеваний. Традиционный мониторинг основан на наблюдении за поведением образцов грибов на ограниченном наборе линий пшеницы. Хотя такой подход эффективен, он может упускать из виду более глубокие генетические изменения, особенно когда разные геномы объединяются в одном штамме.
Наблюдение на основе последовательности событий открывает новые перспективы.
«Если мы знаем, какие гены имеют наибольшее значение, мы можем отслеживать, как они меняются со временем, — говорит доктор Доддс. — Это позволяет нам предвидеть риски, а не реагировать только тогда, когда эпидемия уже началась».
В Австралии генетическая устойчивость к ржавчине зерновых культур, включая стеблевую ржавчину, по оценкам, позволяет экономить национальной экономике около 1,09 миллиарда долларов в год, что подчеркивает масштаб потенциальных потерь в случае распространения новых, более вирулентных штаммов. Поскольку недавно возникшие эпидемические штаммы не являются потомками Ug99 и появились независимо, их воздействие может быть более значительным или быстрым, чем ожидалось в случае с Ug99 — штаммом, к которому Австралия готовилась годами.
Поскольку изучаемые штаммы стеблевой ржавчины отсутствуют в Австралии, работа опиралась на давние международные партнерства и специализированные объекты биобезопасности за рубежом.
В исследовании приняли участие ученые CSIRO, а также их коллеги из США и Великобритании.
Для доктора Фигероа это исследование представляет собой кульминацию многолетней работы по расшифровке одних из самых сложных геномов в фитопатологии.
«Расшифровка геномов ржавчины была долгим процессом, — сказала она. — Это было похоже на открытие книги, в которой были написаны ответы и секреты, но мы не могли прочитать язык, на котором они были написаны. Теперь это возможно. И мы наконец-то видим плоды всех усилий, начиная от людей, которые создавали инструменты, и заканчивая командами, которые вносили свой вклад на каждом этапе».
Подход, продемонстрированный в этом исследовании, теперь может быть применен и к другим высокорискованным патогенам сельскохозяйственных культур. Доктор Фигероа и ее команда работают над тем, чтобы использовать эти достижения для повышения готовности Австралии к будущим угрозам заболеваний.
«Эта работа показывает, что мы готовы, — сказала доктор Фигероа. — Мы можем внедрить эту технологию, принимать обоснованные решения и помогать защищать сельское хозяйство».
В эпоху растущего давления со стороны болезней и глобальных перемещений эта готовность может быть столь же важна, как и сама устойчивость к ним.
Источник: CSIRO. Автор: Смрити Даниэль.
