Глобальное распространение грибной болезни желтая ржавчина представляет значительную угрозу для производства пшеницы, что делает идентификацию новых генетических локусов, придающих устойчивость, критически важной.
Теперь международная команда исследователей под руководством исследователей из Цюрихского университета (UZH), Германия, определила традиционные сорта пшеницы из Азии, которые несут в себе несколько генов, обеспечивающих устойчивость.
Эти сорта могут стать надежным источником устойчивости к желтой ржавчине в коммерческих сортах в будущем, а исследование подчеркивает важность генетического разнообразия для продовольственной безопасности.
Пшеница мягкая (Triticum aestivum) является аллогексаплоидным видом, продуктом двух событий полиплоидизации, которые способствовали ее широкой приспособляемости.
Однако, несмотря на свою устойчивость в целом, пшеница остается восприимчивой к многочисленным патогенам и вредителям.
Среди них три болезни ржавчины считаются наиболее разрушительными. В то время как листовая ржавчина (Puccinia triticina (Pt)) и стеблевая ржавчина (Puccinia graminis f. sp. tritici (Pgt)) широко распространены, желтая ржавчина (Puccinia striiformis f. sp. tritici (Pst)) наносит наиболее значительный ущерб, затрагивая около 88% мирового производства пшеницы.
Характерные желтые полосы на листьях пшеницы, которые дают патогену общее название - желтая или полосатая ржавчина (yellow or stripe rust, YR), значительно снижают фотосинтетическую активность, влияя на урожайность и качество зерна.
За последние два десятилетия во многих регионах мира появились более агрессивные и генетически разнообразные расы желтой ржавчины, что привело к серьезным эпидемиям
Одна из стратегий борьбы с желтой ржавчиной включает в себя выведение сортов пшеницы с генетической устойчивостью.
Было выявлено более 80 генов устойчивости. Большинство из них попадают в категорию расово-специфической или всестадийной устойчивости, которую патоген часто преодолевает в цикле подъемов и спадов. Напротив, некоторые гены устойчивости относятся к категории устойчивости взрослых растений, причем некоторые из них демонстрируют плейотропную устойчивость к множественным заболеваниям, что делает их бесценными ресурсами для селекции.
Существует острая необходимость в выявлении новых и долговечных источников генов устойчивости, чтобы опережать постоянно развивающиеся расы желтой ржавчины.
Данное исследование, вклад в которое внесли ученые из Университета Чжэцзян, Китай, Международного центра улучшения кукурузы и пшеницы (CIMMYT) в Мексике и Киотского университета в Японии, было направлено на выявление новых потенциальных локусов устойчивости и выделение географического региона, имеющего решающее значение для создания и сохранения долговечных источников устойчивости к желтой ржавчине в будущем.
Ученые подчеркивают, что ранее азиатская зародышевая плазма не использовалась в значительной степени в современной селекции пшеницы, несмотря на ее большой потенциал для развития благодаря ее генетическому разнообразию.
Сорта пшеницы из южных районов Гималаев и Китайской низменности, в частности, перспективны благодаря своему расположению в горячих точках желтой ржавчины. Эти географические районы либо были предложены в качестве источника патогена, либо характеризуются очень высоким и разнообразным давлением болезней.
Патоген демонстрирует сложную популяционную структуру в этом регионе, без заметной примеси между популяциями из Тибетского нагорья и Китайской низменности. Поток генов между популяциями из Пакистана, Непала и Китая ограничен.
В то время как глобальное и региональное распространение патогена хорошо задокументировано, распределение генов устойчивости в пшенице, растении-хозяине, остается менее изученным.
Высокий уровень заболеваемости в этих регионах, возможно, сформировал генетический состав адаптированных к региону традиционных сортов, потенциально играя решающую роль в сосуществовании хозяина и патогена. Более четкое представление о географическом распределении генов устойчивости может послужить основой для целенаправленных усилий по сохранению местных сортов, помогая сохранить источники устойчивости для будущих селекционных усилий.
С момента разработки и первоначального внедрения популяции с картированием вложенных ассоциаций (nested association mapping, NAM) у кукурузы было создано несколько популяций NAM для различных культур, что демонстрирует эффективность этого дизайна в выявлении генетических локусов, связанных с широким спектром признаков.
Дизайн NAM преодолевает некоторые ограничения традиционных подходов к картированию: во-первых, популяции NAM охватывают большее генетическое разнообразие вида за счет включения нескольких родительских сортов, в отличие от двуродительского картографирования, при котором соответственно используется только два.
Во-вторых, картирование NAM основано на экспериментально индуцированных рекомбинационных событиях во время построения популяции, таких как картирование локуса количественного признака (quantitative trait locus, QTL) от обоих родителей, что контрастирует с корреляционными доказательствами исторической рекомбинации, используемыми в полногеномных ассоциативных исследованиях (genome-wide association studies, GWAS).
Таким образом, картирование NAM сочетает в себе сильные стороны как двуродительского картирования QTL, так и GWAS, предоставляя надежные доказательства картированных локусов в каждом родительском сорте.
Азиатская популяция NAM в пшенице была выведена путем скрещивания общего родителя Norin 61 (N61), элитного японского сорта с ранее описанной сборкой генома в масштабе хромосом, с разнообразным набором из 24 традиционных и современных сортов из Непала, Пакистана, Китая и Японии. Ученые подчеркнули, что сорта пшеницы, предоставленные Киотским университетом, были необходимы для этого проекта.
Созданная популяция NAM, которая включает в себя по меньшей мере семь линий-основателей из региона, где, вероятно, возникла желтая ржавчина, представляет собой уникальный ресурс для выявления новых локусов устойчивости в окологималайском регионе. Кроме того, это позволяет ученым наблюдать за распределением отдельных локусов в популяции, что невозможно при популяции с двуродительским картированием.
Используя азиатскую популяцию пшеницы NAM, это исследование преследовало две основные цели: во-первых, определить геномную основу устойчивости к ржавчине в различных генетических фонах, а во-вторых, раскрыть распределение локусов устойчивости к ржавчине в полученной популяции NAM, включая линии пшеницы, происходящие из окологималайских регионов с высоким уровнем заболеваемости.
Ученые хотели ответить на следующие вопросы: присутствует ли резистентность к желтой ржавчине у родителей с NAM? Какие геномные области в популяции NAM связаны с резистентностью и были ли они ранее охарактеризованы? Обеспечивают ли эти участки генома устойчивость к ржавчине листьев и стеблей? Какие родительские линии внесли свой вклад в эти локусы в популяции NAM? Можно ли определить четкие географические закономерности в распределении локусов устойчивости к ржавчине?
Комбинированное количественное картирование локуса признака (QTL) выявило два гена устойчивости Lr67/Yr46/Sr55 и Lr34/Yr18/Sr57, а также два потенциально новых локуса устойчивости к желтой ржавчине.
Устойчивый аллель первого, расположенный на хромосоме 3D, уникален для традиционного сорта из Непала, в то время как второй, обнаруженный на хромосоме 5B, присутствует в нескольких семействах NAM. Широкое географическое распространение этого QTL в регионах с высоким уровнем заболеваемости позволяет предположить, что он может служить надежным источником устойчивости. Сильные наблюдаемые сопротивления были обусловлены комбинацией нескольких локусов сопротивления, а значит, накопление сопротивлений является успешной стратегией в районах горячих точек желтой ржавчины.
Новые результаты подчеркивают важность сохранения генетического разнообразия и традиционных сортов пшеницы для борьбы с болезнями и другими угрозами. Фермеры выращивали и поддерживали эти традиционные сорта в разных частях света на протяжении поколений, что имеет большое значение для будущей продовольственной безопасности.
«Традиционные сорта необходимо сохранять как в генных банках, так и на фермерских полях, прежде чем они будут потеряны навсегда. Их использование и распределение выгод должны осуществляться в тесном сотрудничестве с местными сообществами, поскольку их знания и практика проложили путь к генетическому разнообразию, которое мы наблюдаем сегодня», - сказала Катарина Юнг из Цюрихского университета, которая проводила исследования устойчивости пшеницы к желтой ржавчине в сотрудничестве с Международным центром улучшения кукурузы и пшеницы (CIMMYT) в Мексике и Киотским университетом в Японии.
Источники: University of Zurich, Springer Nature. Автор заглавного фото: Катарина Юнг, Университет Цюриха.
