Międzynarodowa współpraca badawcza prowadzona przez John Innes Center wykorzystała innowacyjne metody odkrywania genomu, aby pokazać, w jaki sposób możemy powstrzymać pojawiającą się i wysoce destrukcyjną chorobę, zarazę pszenicy.

W eksperymentach naukowcy zidentyfikowali dwa geny, które chroniły doświadczalne rośliny pszenicy przed ekspozycją na patogen grzybowy Magnaporthe oryzae, który powoduje zarazę.

Aby dokonać odkrycia, zespół zastosował technikę zwaną AgRenSeq, która pozwoliła im na poszukiwanie użytecznych genów wśród panelu tradycyjnych odmian pszenicy o nazwie Watkins Collection. Szukali także wśród dzikich traw krewniaków pszenicy.

Kolekcja Watkinsa została zebrana z całego świata w latach trzydziestych XX wieku i składa się z ponad 300 linii pszenicy lub ras lokalnych zawierających różnorodność zwalczającą choroby, która istniała w pszenicy przed intensywną hodowlą. Takie kolekcje lokalnie uprawianych roślin, wraz z dzikimi trawami spokrewnionymi z pszenicą, stały się istotnym źródłem informacji dla badaczy poszukujących genów chroniących współczesne uprawy przed pojawiającymi się chorobami.

Profesor Paul Nicholson, lider grupy w John Innes Center, powiedział: „Dokonaliśmy ważnego odkrycia na temat pojawiającej się choroby, która zagraża światowemu bezpieczeństwu żywnościowemu, i w trakcie tego procesu podkreśliliśmy moc kolekcji Watkinsa i zestawu narzędzi genomicznych AgRenSeq. Teraz naszą rolą jest interakcja z organizacjami takimi jak CIMMYT (globalna organizacja badawcza non-profit) w celu dostarczenia informacji o dodatkowych genach odporności i umożliwienia im upewnienia się, że ich materiały hodowlane zawierają te geny, aby były chronione przed zarazą”.

Aby zidentyfikować geny odporności, naukowcy przetestowali sadzonki i kłosy z kolekcji Watkinsa ze specjalnie zmodyfikowanymi izolatami patogenu zarazy, aby określić, które rośliny były odporne, a które podatne na grzyby.

Następnie wykorzystali AgRenSeq, technikę odkrywania genów opracowaną przez dr Sanu Arora, lidera grupy w John Innes Centre, w celu zidentyfikowania fragmentów genomu, które wykazały aktywność genów w odpornych roślinach.

Doprowadziło to do zidentyfikowania kandydata na gen odporności Rwt3, który chroni pszenicę poprzez regulację genu NLR. W roślinach geny NLR działają poprzez kodowanie białek obronnych, które wykrywają cząsteczki efektorowe patogenu i wyzwalają odpowiedź ochronną, podobnie jak przeciwciała chronią ludzi przed infekcjami.

Drugi odkryty gen, Rwt4, to kolejna cząsteczka obronna zwana kinazą tandemową. Gen ten został również znaleziony w kolekcji Aegilops tauschii, przodka dzikiej trawy współczesnej pszenicy chlebowej.

Eksperymenty szklarniowe z wykorzystaniem roślin pszenicy, w których funkcja tych genów odporności została utracona, wykazały, że są one podatne na izolaty zarazy pszenicy, potwierdzając, że Rwt3 i Rwt4 chronią rośliny przed zarazą.

Badanie, które pojawia się w Natura Roślinyujawnił również, że wersja Rwt4 określana jako Pm24 chroniła również rośliny przed inną istotną chorobą pszenicy, mączniakiem prawdziwym.

Zdaniem zespołu badawczego metoda jest potencjalnie wystarczająco elastyczna, aby znaleźć geny oporności, które reagują na specyficzne geograficznie szczepy patogenu. Stanowi dowód koncepcji, w jaki sposób możemy reagować na pojawiające się choroby roślin uprawnych, identyfikując geny odporności w odmianach tradycyjnych lub dzikich krewnych i upewniając się, że te genetyczne bariery dla chorób są obecne w elitarnych odmianach.

Współpraca, w skład której wchodzą grupy z Japonii i Arabii Saudyjskiej, planuje teraz udostępnić te informacje CIMMYT poprzez dostarczenie markerów genetycznych. Dzięki temu hodowcy mogą szybko zidentyfikować te geny w swoich kolekcjach i upewnić się, że włączą je do hodowli odpornych na zarazę odmian pszenicy.

Dr Sanu Arora, pierwszy autor badania, powiedział: „Katastrofalny wpływ podmuchu pszenicy na pasach pszenicy w Ameryce Południowej, Azji Południowej i Afryce jest dzwonkiem ostrzegawczym dla Europy. Nie jesteśmy pewni, czy ta choroba już pojawiła się na horyzoncie Europy, ale potencjalnie może rozprzestrzeniać się poprzez migrację ludzi lub import nasion, dlatego niezwykle ważna jest obrona tej ważnej uprawy przed zbliżającym się zagrożeniem”.

Dr Jonathan Clarke, kierownik ds. wymiany wiedzy i komercjalizacji w John Innes Centre, powiedział: „To naprawdę dobry przykład międzynarodowej współpracy, która przyczynia się do realizacji celów ONZ w zakresie zrównoważonego rozwoju, ponieważ zdrowie roślin na świecie jest ważne dla zapewniania zrównoważonej żywności”.

Kinaza pszenicy i receptor immunologiczny tworzą specyficzne dla żywiciela bariery przeciwko grzybowi zarazy, pojawia się w Nature Plants.

Wheat Blast – krótka historia

Podmuch pszenicy pozostawił ślad zniszczenia na trzech kontynentach, odkąd został po raz pierwszy zgłoszony w 1985 roku i jest obecnie uważany za główne zagrożenie dla globalnego bezpieczeństwa pszenicy. W związku z tym odkrycie i wdrożenie genów odporności przeciwko temu patogenowi ma kluczowe znaczenie dla złagodzenia tego zagrożenia.

Podmuch pszenicy, wywołany przez patogen grzybowy Magnaporthe oryzae, został po raz pierwszy zidentyfikowany w Brazylii w 1985 r. z powodu „skoku żywiciela” z życicy. Od tego czasu patogen spowodował epidemie u sąsiadów Brazylii, w tym Boliwii i Paragwaju, a kolejne ogniska odnotowano w Zambii, Indiach i Bangladeszu.

Ostatnie badania sugerują, że skok żywiciela nastąpił z powodu rekombinacji hybrydowej dwóch gatunków patogenu grzybowego. Poszukiwanie genów odporności jest pilne, ponieważ hodowcy nie wybrali nowoczesnych odmian pszenicy, aby uwzględnić geny odporności na zarazę w swoich programach.

Geny odporności w pszenicy Rwt3 i Rwt4 działają, ponieważ rozpoznają geny patogenów PWT3 i PWT4 iw konsekwencji zapobiegają infekcji. Zaproponowano, że epidemie w Brazylii wystąpiły z powodu powszechnej uprawy pszenicy pozbawionej Rwt3, co czyni je podatnymi na patotypy życicy.

Patotypy życicy są również związane z wybuchem zarazy pszenicy w USA. Służy to podkreśleniu znaczenia utrzymania Rwt3 i Rwt4 w odmianach pszenicy, aby zapobiec przyszłym skokom gospodarza.