Бактериальное увядание уничтожает продовольственные культуры во всем мире. Он уничтожает основные сельскохозяйственные культуры, такие как помидоры, картофель, бананы, имбирь и перец. Встречается во многих странах и поражает более 200 видов растений.
Бактерия, вызывающая заболевание, годами сохраняется в почве, семенах и растительном материале. Он также может заразить воду и сельскохозяйственное оборудование.
Селекционеры и фермеры хотели бы как можно раньше узнать, насколько устойчивы сорта к бактериям. Но до сих пор им приходилось сажать - а потом ждать, пока взрослые растения заметят устойчивость на полях.
Теперь исследования показывают возможный способ сэкономить время и значительно снизить риск для фермеров и селекционеров. Новый подход обещает прогнозировать устойчивость сортов намного раньше, чем это было возможно раньше.
Исследователи теперь могут анализировать устойчивость сортов на стадии рассады к целому ряду угроз. Они используют метаболомику растений и статистическое моделирование для расшифровки химической защиты растений.
В сочетании с генетическими методами этот подход будет полезен для выявления устойчивости, которая зависит от нескольких генов, что является давней проблемой в селекции растений.
Дилемма фермера
Когда фермеры покупают семена, они должны думать об угрозах, с которыми растения столкнутся, чтобы выжить. Например, на ферме может быть засуха и жара. Если почва уже заражена бактериями Ralstonia solanacearum, вызывающими увядание, у фермера есть два варианта, говорит профессор Ян Дюбери, директор Центра исследований метаболизма растений Йоханнесбургского университета.
"Во-первых, не сажайте культуры, пораженные бактериальным увяданием. Во-вторых, выбирайте более устойчивые сорта растений. Если есть засуха, жара и бактериальное увядание, фермеру нужен сорт, достаточно устойчивый к все три угрозы."
В эпоху полногеномного секвенирования ДНК это может показаться простым. Проанализируйте все гены сортов и выберите те, у которых гены подходят для угроз на конкретной ферме. Но сопротивление растения может работать не так. Для одной угрозы один ген может включать или выключать устойчивость. Во-вторых, могут быть задействованы несколько генов.
Трудно определить, какие сорта устойчивы к бактериальному увяданию. Устойчивость к Ralstonia solanacearum является мультигенным признаком, она зависит от многих генов, и они еще недостаточно изучены. Потребуется время, прежде чем наука узнает, как это сделать. это работает», - добавляет Дюбери.
Полагаться на то, как выглядят растения, тоже может быть обманчиво. Когда растения молодые, можно сказать, что сорт неспособен защитить себя от угрозы - что он восприимчив. Но удаление восприимчивых сортов не гарантирует, что у вас останутся устойчивые сорта, говорит Дюбери. В иммунитете растений восприимчивость и устойчивость могут сильно зависеть от факторов окружающей среды.
В сложившейся ситуации фермеры рискуют гибелью саженцев в зараженной почве. Взрослые растения также могут оказаться менее устойчивыми, чем ожидалось. Селекционеры рискуют временем, улучшая сорта, которые оказываются непригодными для сельского хозяйства.
Химическая защита томатов
Для исследовательской статьи тогдашний студент с отличием Дилан Цейсс изучил четыре сорта помидоров. Сорта демонстрируют устойчивость к Ralstonia solanacearum от средней до высокой в коммерческом сельском хозяйстве.
Он взял кусочки листьев, стеблей и корней здоровых растений каждого сорта и смешал их. Затем он проанализировал эти смеси на наличие химических веществ, которые вырабатывают сорта для самозащиты.
«Растения могут вырабатывать устойчивость к угрозам, таким как бактерии, вирусы или стрессы окружающей среды. Но, в отличие от животных, у них нет циркулирующих иммунных клеток для поддержки приобретенного иммунитета», - говорит Цейсс.
"Растения используют врожденную устойчивость, закодированную в их генах. Они также синтезируют различные антимикробные химические вещества для противодействия угрозам. Для каждой угрозы растению необходимо приготовить свой химический "коктейль". Необходимый коктейль можно варьируются в зависимости от местоположения, погоды и других стрессов», - говорит он.
Цейсс проанализировал 41 из этих химических веществ, называемых вторичными метаболитами, из сортов томатов. Он использовал жидкостную хроматографию в сочетании с масс-спектрометрией высокого разрешения. Это показало, какие сорта производили какие метаболиты и в каком количестве.
Затем исследователи пропустили необработанные данные через статистический механизм для проведения многомерного анализа.
Лучше, чем одна генетика
Растения «замечают» то, что атакует их в окружающей среде. Некоторые сорта лучше замечают сразу несколько угроз и производят все химические вещества, необходимые для самозащиты.
Если сорт имеет более сильную устойчивость к угрозе, он будет производить больше необходимых химикатов. Эти химические вещества проявляются в анализах в виде сильных пиков. Если сорт не имеет большой устойчивости к этой угрозе, он либо не производит химическое вещество, либо в гораздо меньших количествах.
Исследователи сравнили химический состав сортовых «коктейлей» и сопоставили его с известной устойчивостью сортов к бактериальному увяданию. В процессе они обнаружили «метаболитный отпечаток» устойчивости помидоров к увяданию.
«В принципе, мы можем использовать этот подход для любого взаимодействия растений и патогенов. Вероятную устойчивость сорта можно прогнозировать на стадии проростков», - говорит Дюбери.
"Если сорт имеет генетическую способность вырабатывать устойчивость к угрозе, он будет синтезировать химические вещества для самозащиты. Таким образом, мы можем "видеть" устойчивость растений гораздо лучше, чем просто смотреть на них.
«И мы можем сделать это, когда росткам всего несколько недель, вместо того, чтобы ждать месяцами, чтобы увидеть, устойчивы ли взрослые растения», - говорит он..
В будущем селекционеры смогут отбирать сорта продовольственных культур, более устойчивые к жаре, засухе, бактериям и вирусам, сочетая метаболомику с генной технологией, говорит Дюбери.