Бананы являются жизненно важной культурой во всем мире, но их урожайности угрожают различные заболевания, в частности, банановое фузариозное увядание, вызываемое Fusarium oxysporum. Традиционные методы борьбы, в том числе химические пестициды, создают экологический риск и не всегда эффективны. Дикие родственники бананов, обладающие большим генетическим разнообразием и более высокими концентрациями соединений, связанных с защитой, предлагают потенциальные решения.
Бананы (Musa spp.), родом из Юго-Восточной Азии, являются одной из важнейших товарных культур в мире. Китай является вторым по величине производителем бананов в мире после Индии, собрав около 11,7 млн тонн в 2021 году.
Однако урожайность бананов серьезно снижается из-за болезней, вызываемых грибами, вирусами и нематодами, паразитирующими на растениях. В частности, банановое фузариозное увядание, вызываемое Fusarium oxysporum f. sp. Cubense тропическая раса 4 — одно из самых разрушительных заболеваний культивируемых бананов.
Несмотря на десятилетия исследований, разработано мало эффективных вариантов лечения этого заболевания. Посадка устойчивых сортов считается самой важной стратегией в пострадавших районах.
Дикие родственники коммерческих культур обычно обладают большим генетическим разнообразием и поэтому часто полезны для выведения более устойчивых сортов в отличие от культурных растений, которые часто производят меньше разнообразия и/или меньшее количество вторичных метаболитов, связанных с защитой, чем их дикие родственные типы.
Использование защитных метаболитов, например, фенилфеналенонов (PhPN), может стать важной стратегией в преодолении текущих проблем выращивания бананов. Учитывая эти проблемы, необходимы дальнейшие исследования генетических механизмов устойчивости бананов к болезням.
Ученые из Главной лаборатории Цзянсу по исследованию и использованию растительных ресурсов и их коллеги из Инженерно-исследовательского центра экологического выращивания и высокоценного использования китайских лекарственных материалов провинции Цзянсу, Института ботаники провинции Цзянсу и Китайской академии наук (Нанкинский ботанический сад имени Сунь Ятсена) опубликовали исследование в журнале Horticultural Research, в котором предлагают задействовать в селекции самого красивого родственника бананов.
Musella lasiocarpa — эндемичное растение Китая и единственный представитель рода Musella, распространено в юго-западных районах страны, таких как провинции Юньнань и Сычуань.
Из-за длительного периода цветения и красивого внешнего вида (например, больших золотых соцветий) M. lasiocarpa культивируется как декоративное растение и его часто называют «золотой лотос».
Помимо декоративной ценности, цветы и прицветники M. lasiocarpa используются в традиционной китайской народной медицине для остановки кровотечений и противодействия воспалению.
Недавнее фитохимическое исследование M. lasiocarpa показало, что растение содержит в семенных оболочках различные PhPN, а также линейные диарилгептаноиды (LDH), которые считаются биосинтетическим предшественниками PhPN.
«Вторичные метаболиты фенилфеналенонового типа, которые состоят из трициклического феналенового ядра и латерального фенильного кольца, встречаются в основном у таксонов однодольных, таких как Strelitziaceae и Musaceae. Поскольку сообщалось, что PhPN в растениях диких бананов являются важными фитоалексинами и фитоантиципинами, их считали ценным ресурсом для выведения устойчивых к болезням сортов бананов. Однако культивируемые растения банана сегодня содержат PhPN в низких концентрациях и с небольшим структурным разнообразием. Генная инженерия может быть использована для изменения этого дисбаланса, влияя на биосинтез PhPN и ферментов, участвующих в создании устойчивых к болезням растений», - поясняют авторы работы.
Используя передовые геномные методы, команда собрала высококачественный, почти полный геном Musella lasiocarpa. Они объединили транскриптомные и метаболомные данные для идентификации генов-кандидатов, участвующих в биосинтезе PhPN и определили три новые О-метилтрансферазы (ОМТ), участвующие в усилении противогрибных свойств этих соединений, что открывает путь к разработке устойчивых к болезням сортов бананов.
Эти ферменты, Ml01G0494, Ml04G2958 и Ml08G0855, показали значительную роль в модификации метилирования PhPN, усиливая их противогрибную активность против Fusarium oxysporum.
«Это исследование дает решающее представление о генетической основе устойчивости бананов к болезням. Понимая и используя пути биосинтеза фенилфеналеноновых фитоалексинов, мы можем разработать более устойчивые сорта бананов, обеспечивая лучшее урожайность и устойчивость сельскохозяйственных культур перед лицом растущих сельскохозяйственных проблем. Применение этого исследования двоякое: оно предлагает прямое применение в программах селекции бананов для повышения устойчивости к болезням с помощью молекулярных методов и обеспечивает основу для дальнейших исследований роли фитоалексинов во взаимодействиях растений и патогенов. Таким образом, мы можем создать новые культуры, которые смогут противостоять стрессу, вызванному изменением климата, и уменьшать воздействие пестицидов на окружающую среду», - заключили авторы.
Источник: Horticultural Research.
Авторы, которые в равной доле внесли вклад в исследование: Ванли Чжао, Цзюньчжи Ву, Мэй Тянь, Шу Сюй, Шуайя Ху, Чжиян Вэй, Гуйин Линь, Лян Тан, Жуйян Ван, Бойя Фэн, Би Ван, Хуэй Лю, Кристиан Паец, Сюй Фэн, Цзя-Ю Сюэ, Пируи Ли, Ю Чен.
Графика. Образцы секвенирования, обзор сборки генома M. lasiocarpa и структура PhPN. Фотография M. lasiocarpa ( A ), типы PhPN ( B ; R1 и R2 , -OH или -OCH3 ) и распределение геномных особенностей M. lasiocarpa ( C ). Кольца снаружи внутрь обозначают девять хромосом, плотность генов, плотность повторов, содержание GC и синтенные геномные блоки в разделе C.
Источник графики: Horticultural Research (2024). DOI: 10.1093/час/uhae042.
