Сорняки с устойчивостью к гербицидами, такие как амарант Палмера, затрудняют ведение сельского хозяйства и делают его менее прибыльным, а доступные гербициды становятся менее эффективными. Чтобы ученые могли найти решения, им сначала нужно узнать своего врага.
Новое исследование, проведенное в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне и сотрудничающих с ним институтов, раскрывает полные геномы на уровне хромосом для амаранта Палмера и двух других видов Amaranthus, Amaranthus retroflexus и Amaranthus hybridus. Это достижение представляет собой большой скачок в понимании учеными биологии сорняков, включая их способность детоксифицировать распространенные гербициды. Исследование опубликовано в The Plant Journal .
«Наличие этих референтных геномов значительно ускоряет нашу способность исследовать сорняки с множественной устойчивостью к гербицидам и приближает нас к новым стратегиям борьбы», - сказал соавтор исследования Патрик Дж. Трэнел, профессор кафедры наук о растениеводстве Колледжа сельскохозяйственных, потребительских и экологических наук в Иллинойсе.
Наряду с предоставлением геномов, исследование углублялось в важные семейства генов, такие как цитохром P450. Поскольку эти сорняки имеют сотни похожих генов P450, было трудно понять, какие из них играют важную роль в устойчивости к нецелевым участкам, детоксифицируя гербициды до того, как они смогут нанести ущерб. Трэнел говорит, что устойчивость к нецелевым участкам долгое время рассматривалась как черный ящик, но новые геномы начинают раскрывать то, что находится внутри.
«Теперь, когда у нас есть каталог генов P450, мы можем систематически выяснить, какие из них обеспечивают устойчивость к каким гербицидам, - сказал он. - Таким образом, мы можем определить, какие гербициды детоксифицируются тем же механизмом устойчивости нецелевого участка, и избежать смешивания этих продуктов в баке».
Исследование уделило особое внимание амаранту Палмера, возможно, самому проблемному из трех видов. Для начала исследовательская группа охарактеризовала ген устойчивости к глифосату, который находится в большом кольцевом сегменте ДНК, существующем вне любой хромосомы. Хотя устойчивость к глифосату ранее связывали с этой странной структурой, исследование предоставило новые сведения о том, как она возникла.
«Эволюционная история заключается в том, что этот ген был вставлен в круг в определенный момент времени, и это одно эволюционное событие ответственно за всю устойчивость, которую мы обнаруживаем у амаранта Палмера почти на всех континентах, - сказал соавтор исследования Джейк Монтгомери, ныне научный сотрудник в Чикагском университете, получивший ученые степени в Иллинойском и Колорадском университетах. - Наше исследование подтверждает этот вывод, используя референтный геном и новую последовательность из популяций амаранта Палмера из Северной и Южной Америки, чтобы показать почти полное сохранение последовательности круга».
Затем исследователи сосредоточились на генах, связанных с определением пола у амаранта Палмера, - это направление исследований, над которым группа Трэнеля работала некоторое время. Его цель - разработать модифицированные мужские растения, содержащие генный драйв, сегмент ДНК, кодирующий мужественность, который будет передаваться его потомству и всем будущим поколениям. В конечном итоге все растения в данной популяции станут мужскими, размножение прекратится, и популяции разрушатся.
«В текущем исследовании мы идентифицировали два гена, которые, по-видимому, контролируют мужественность на хромосоме 3 у амаранта Палмера, - сказал ведущий автор исследования Дамилола Алекс Райемо, завершивший свою докторскую работу с Трэнелем. - Нам еще нужно подтвердить эти гены, но это важный шаг вперед».
Примечательно, что исследование также представляет собой первые геномы, опубликованные Международным консорциумом геномики сорняков (IWGC), организацией, состоящей из академических учреждений и промышленных партнеров, которая генерирует референтные геномы видов сорняков для содействия исследованиям. IWGC делает эти референтные геномы свободно доступными, устраняя барьеры и ускоряя темпы открытия способов борьбы с наиболее важными сорняками.
«До IWGC исследователи обращались в грантовые агентства с идеями по картированию важных признаков, таких как новые типы устойчивости к гербицидам. Для этого сначала нужен референтный геном, - сказал соавтор исследования Тодд Гейнс, профессор Университета штата Колорадо и член исполнительного комитета IWGC. - Но не так много специалистов по геномике трав, и мало тех, кто может выполнить такую работу в рамках типичного цикла грантов. Поэтому эти гранты уйдут в никуда. С этими ресурсами исследователи могут практически сразу же приступить к реализации своих идей».
В качестве примера группа Трэнеля недавно использовала референтный геном другого сорняка – щирицы бугорчатой - для выявления областей, связанных с устойчивостью к гербицидам 2,4D и дикамбе. Это исследование опубликовано в Pest Management Science .
«Щирица бугорчатая - экономически эффективный агрономический сорняк на Среднем Западе США, который развил устойчивость к гербицидам в семи местах действия, - сказала ведущий автор исследования Изабель Верле, докторант по растениеводству в Иллинойсе. - Нам удалось идентифицировать восемь геномных регионов, связанных с устойчивостью к 2,4D и дикамбе, разным продуктам с одинаковым механизмом действия. Удивительно, но мы обнаружили очень мало совпадений среди этих восьми регионов, контролирующих устойчивость к двум продуктам, что позволяет предположить, что щирица использует несколько стратегий, чтобы избежать повреждений».
Трэнел и его коллеги полагают, что по мере того, как все больше ученых будут получать доступ к этим геномным ресурсам, темпы открытий мер борьбы с устойчивыми сорняками буду только возрастать.
Источник: University of Illinois at Urbana-Champaign. Автор: Лорен Куинн. На заглавном фото: амарант Палмера. Источник фото: College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences at the University of Illinois Urbana-Champaign.
