Сорняки часто появляются одновременно с уязвимыми всходами сельскохозяйственных культур и проникают между растениями по мере роста сельскохозяйственных культур. Как фермеры убивают их, не нанося вреда самим посевам?
Семенные и химические компании разработали две основные технологии, позволяющие избежать повреждения урожая гербицидами, применяемыми в почве и на листьях: генетически модифицированные культуры, устойчивые к гербицидам; и антидоты, химикаты, которые выборочно и загадочным образом защищают определенные культуры от повреждений. В новом исследовании Университета Иллинойса исследователи определили гены и метаболические пути, ответственные за эффективность антидота в зерне сорго.
Открытие имеет большое значение для объяснения того, как работают антидоты. По словам Дина Рихерса, исследователя сорняков в Департаменте растениеводства Университета I и соавтора исследования Frontiers in Plant Science, ученые по счастливой случайности открыли антидоты в конце 1940-х годов. Выращенные в теплице растения томатов случайно подверглись воздействию синтетического растительного гормона во время эксперимента. Помидоры не проявляли никаких симптомов воздействия самого гормона, но когда позже их опрыскивали гербицидом, они не пострадали. Не полностью понимая, как они работают, исследователи начали экспериментировать, чтобы найти больше «антидотов гербицидов», прежде чем в 1971 году коммерциализировать первый антидот (дихлормид) для кукурузы..
Сегодня, после почти 50 лет коммерческого использования в кукурузе, рисе, пшенице и зерновом сорго, антидоты остаются загадкой. Существование синтетических химикатов, которые выборочно защищают ценные зерновые культуры, а не широколиственные культуры или сорняки, завораживает, но не имеет интуитивного смысла, по словам Рихерса. Выяснение того, как защитный механизм включается в зерновых культурах, может однажды помочь ученым вызвать защиту у широколиственных культур, таких как соя и хлопок..
«Найти антидот, который работает на двудольных культурах, было бы Святым Граалем», - говорит Рихерс.
Первым шагом, однако, является понимание того, что происходит внутри клеток зерновых культур при воздействии антидотов. В предыдущих испытаниях с зерновым сорго исследовательская группа заметила значительное увеличение производства глутатион-S-трансфераз (GST). Эти важные ферменты, присутствующие во всех живых организмах, быстро обезвреживают гербициды и другие посторонние химические вещества, прежде чем они смогут нанести ущерб. Но это не сильно сузило стог сена.
«Эти зерновые культуры имеют до 100 GST, и мы не знали, обеспечивает ли один или несколько защитный эффект», - говорит Рихерс. «Мы также не могли сказать, почему GST были увеличены».
Команда использовала подход, известный как полногеномное исследование ассоциации. Они вырастили 761 инбредную линию зернового сорго в теплице и сравнили растения, обработанные только антидотом, только гербицидом или и антидотом и гербицидом. Изучая геном в поисках различий, они обнаружили специфические гены и области генов, которые были включены в растениях, обработанных антидотом. Неудивительно, что это были гены, кодирующие два GST.
«Хотя мы подозревали, что GST были вовлечены, этот метод, по-видимому, точно определил ген, ответственный за сохранность сорго, SbGSTF1, наряду со вторым тандемным геном GST», - говорит Рихерс.
В дополнение к обнаружению этого ключевого гена детоксикации, исследователи также проанализировали молекулы РНК, экспрессируемые в растениях, обработанных антидотами, и выявили двойную функцию защиты растений.
По словам Ричерса и его соавтора Патрика Брауна, сорго хорошо известно тем, что оно производит аллелохимические вещества или химические средства защиты от насекомых и патогенов. Один из них, дуррин, представляет собой химическое вещество с цианидной группой. Когда на него нападают, сорго выпускает «цианидную бомбу», убивающую насекомое или патоген. Оказывается, некоторые гены, участвующие в синтезе и метаболизме дуррина, также активировались в ответ на антидепрессанты.
«Эта связь с дхуррином была своего рода подсказкой - возможно, антидот использует химический защитный путь, который растение уже использует для самозащиты», - говорит Рихерс. «Это новая концепция, которую никто никогда раньше не предлагал для сорго. Это дает нам некоторое представление о том, почему антидот может вызывать такую реакцию у растения».
Способность включать защиту и защитные пути с помощью антидотов может иметь множество применений, по словам Ричерса. «Кажется нелогичным, что существует путь, специфичный только для синтетических гербицидов», - говорит он. «Возможно, антидоты можно было бы использовать для защиты сельскохозяйственных культур от травоядных насекомых, химических загрязнителей или экологических стрессов. Возможности и области применения очень многообещающие."
У исследователей есть планы и финансирование для расширения эксперимента на пшеницу, и в конечном итоге они надеются определить более точные комбинации антидотов, гербицидов и сельскохозяйственных культур, которые в конечном итоге могут быть применены к широколиственным культурам.