Вирусы растений наносят огромный ущерб мировому сельскому хозяйству, снижая урожайность и качество культур, влияя на доступность и цены на продовольствие. Ежегодно эти заболевания наносят экономический ущерб в размере около 30 миллиардов долларов.
Точная и своевременная диагностика вирусов позволяет осуществлять правильное управление, разрабатывать стратегии контроля и сокращать потери. Существуют сотни видов вирусов, которые могут заражать сельскохозяйственные культуры, а если к этому добавить тот факт, что существуют разновидности и штаммы каждого вида, то их обнаружение и идентификация усложняются.
Обнаружение вирусов прошло путь от наблюдения за симптомами до таких методов, как иммуноферментный анализ (ИФА) и полимеразная цепная реакция (ПЦР), которые являются двумя наиболее часто используемыми методами.
Хотя эти достижения и представляют собой важные инструменты, они требуют предварительных знаний о том, какие вирусы следует искать, что похоже на поиск определенной иголки в стоге сена, содержащем иголки разных типов, что затрудняет обнаружение новых угроз или одновременное обнаружение различных вирусов.
Высокопроизводительное секвенирование (High-throughput sequencing (HTS)) преодолевает это ограничение, одновременно идентифицируя все вирусы, присутствующие в растении, даже неизвестные виды.
HTS позволяет считывать миллионы фрагментов генетического материала параллельно, что похоже на чтение тысяч страниц книги одновременно, а не по одной. Его преимущества включают обнаружение всех присутствующих вирусов (вирома) за один анализ и обнаружение новых видов вирусов, даже в бессимптомных растениях, а также предоставление информации о вирусном геноме.
В Национальном институте исследований лесного хозяйства, сельского хозяйства и животноводства (INIFAP) исследователи применили эту технологию, сосредоточившись на малых РНК (мРНК), сообщает официальный портал Правительства Мексики в релизе. Малые молекулы РНК, включая малые интерферирующие РНК, вырабатываются как часть защитной системы растения при обнаружении вирусного вторжения. В результате этой реакции генерируется большое количество фрагментов РНК вируса, которые используются для идентификации патогена.
Хотя у растений нет антител, как у людей, у них есть интересные защитные механизмы. Когда вирус заражает растение и начинает копировать себя, иммунная система растения обнаруживает вирусный генетический материал и разрезает его на небольшие фрагменты (вирусные малые интерферирующие РНК или всиРНК (vsiRNA). Секвенирование этих фрагментов с помощью HTS и сборка их как частей пазла с использованием вычислительных методов позволяет реконструировать полный геном вируса. Естественное обилие vsiRNA во время инфекции позволяет легко обнаружить вирусы, присутствующие даже в минимальных количествах.
NIFAP применил эту технологию к трем важным для Мексики культурам.
Фасоль: основной продукт на мексиканском столе
Исследователи выявили девять различных вирусов, поражающих эту культуру в Халиско, Гуанахуато и Наярите. Наиболее вредоносными являются вирус обыкновенной мозаики фасоли (BCMV) и вирус некроза мозаики фасоли обыкновенной (BCMNV), которые передаются семенами и насекомыми. Также следует отметить вирус золотисто-желтой мозаики (BGYMV), переносимый белокрылками, который может вызывать потери до 100% и присутствует в Веракрусе, Чьяпасе, Наярите и Синалоа. Кроме того, они обнаружили новые виды, такие как вирус тяжелой мозаики Phaseolus vulgaris (PvSMV) и латентный вирус фасоли (BLV).
INIFAP разработал тест, который одновременно обнаруживает три основных вируса (BCMV, BCMNV и BGYMV), экономя время и ресурсы для быстрой идентификации этих патогенов. На основе этой информации создаются устойчивые сорта для каждого региона, например, «Сан-Блас» для Наярита и центральной Мексики, «Руби» для Веракруса и Чьяпаса и многие другие.
Помидор: один из столпов мексиканской кухни
У томата, еще одной знаковой культуры Мексики, были обнаружены три вируса: два бегомовируса (ToGMoV и PHYVV) и новый вариант вируса мозаики томата (ToMV). Последний особенно проблематичен, поскольку передается семенам и сохраняется в почве в течение многих лет. INIFAP работает с местными мексиканскими томатами с целью создания новых сортов и снижения зависимости от импортных семян. Одной из целей является внедрение устойчивости к ToMV.
Нут: экспортная культура
У нута ученые выявили новый вирус, который назвали «вирус курчавости листьев нута» (CpLRV). Это открытие было сделано недавно, распространение и экономическое влияние вируса все еще изучаются.
От выявления к действию: борьба с вирусными заболеваниями
В отличие от бактериальных или грибных инфекций, которые поддаются лечению с помощью противомикробных препаратов, в настоящее время невозможно «вылечить» растение, зараженное вирусом.
Поэтому стратегии борьбы сосредоточены на двух направлениях: профилактика посредством севооборота, использования сертифицированных семян и дезинфекции инструментов; и генетическая устойчивость, которая включает создание сортов с генами, устойчивыми к вирусным инфекциям.
Генетическое улучшение для получения устойчивых сортов – задача селекционеров. Используя информацию, предоставленную HTS о вирусах, присутствующих в каждом регионе, селекционеры специально отбирают гены устойчивости, необходимые для каждой области. Например, у фасоли наиболее важными генами являются доминантный I и рецессивный bc-3, которые обеспечивают устойчивость к BCMV и BCMNV, а также bgm-1 к BGYMV, для которых существуют молекулярные маркеры, облегчающие их идентификацию.
Несмотря на то, что метод HTS обеспечивает значительные преимущества, он по-прежнему сталкивается с такими проблемами, как стандартизация методов, высокие затраты и время обработки.
INIFAP внедрил стратегии по снижению затрат за счет анализа составных образцов и оптимизирует эти методологии для применения к другим приоритетным культурам. Благодаря технологическому прогрессу в среднесрочной и долгосрочной перспективе станет возможным создание систем наблюдения для раннего обнаружения новых вирусных угроз.
Интеграция высокопроизводительного секвенирования и использования молекулярных маркеров в программы генетического улучшения представляет собой успешный пример того, как современная наука предлагает решения традиционных сельскохозяйственных проблем. Эти инновации улучшают понимание вирусных заболеваний и предоставляют инструменты для разработки устойчивых сортов, адаптированных к каждому региону. Результат приносит прямую выгоду мексиканским фермерам, сокращая потери урожая и уменьшая потребность в ресурсах, способствуя продовольственной безопасности и суверенитету Мексики.
Источник: www.gob.mx. На фото вы видите нут, инфицированный новым видом вируса CpLRV, идентифицированным HTS. Источник фото: INIFAP.
