Waterhemp десятилетиями участвует в гонке вооружений с фермерами. Почти каждый раз, когда фермеры атакуют сорняки новым гербицидом, водяная конопля становится устойчивой к нему, что снижает или устраняет эффективность химического вещества. Некоторые популяции водяной конопли развили устойчивость ко многим гербицидам, что делает их невероятно трудными для уничтожения.
Проблему усугубляет тот факт, что водяная конопля может развивать устойчивость как минимум двумя способами. При резистентности на целевом участке генная мутация изменяет белок, для атаки которого предназначен гербицид. При неподходящем месте связывания белка гербицид становится неэффективным. Положительной стороной резистентности на целевом участке является то, что ее относительно легко определить с помощью стандартных лабораторных процедур.
Метаболическая резистентность - это совсем другой зверь. Растения используют любой из сотен возможных ферментов для детоксикации химического вещества, делая его бесполезным. Хотя ученые из Университета штата Иллинойс Дин Ричерс, Ронг Ма и Джош Скелтон недавно разработали быстрый и простой тест на метаболическую резистентность, у них все еще не было возможности узнать, какой фермент отвечает за это.
До сих пор
«Мы думаем, что нашли иголку в стоге сена», - говорит Ричерс.
Ричерс и его коллеги сосредоточились на метаболической устойчивости к атразину, химическому веществу, которое использовалось в течение десятилетий и до сих пор распыляется примерно на 80 процентах посевных площадей кукурузы в Соединенных Штатах, несмотря на растущую резистентность и опасения по поводу воздействия на окружающую среду.
Из предыдущего исследования в Университете I команда знала, что устойчивая водяная конопля метаболизирует атразин с помощью класса ферментов, известных как GST. «Известно, что растения имеют от 50 до 120 генов GST. Мы хотели знать, исходит ли устойчивость только от одного из них, и сможем ли мы его найти», - говорит Ричерс.
Бывший аспирант Антон Эванс выделил белки-кандидаты GST из водяной конопли и изучил их экспрессию в устойчивых и чувствительных растениях. Один из белков GST был в большом количестве у устойчивых растений, но практически отсутствовал у чувствительных растений. Аспирантка Сара О'Брайен более внимательно изучила ген, кодирующий этот белок GST, и, в частности, его варианты или аллели. Она заметила, что при наличии двух доминантных аллелей этого гена для повреждения растений требовалось более чем в 14 раз больше рекомендуемой дозы атразина.
Гетозиготные растения - те, у которых всего одна копия доминантного аллеля - имели гораздо более высокие повреждения. В эксперименте с четырьмя или пятью гетерозиготными растениями два или три погибали, а остальные отставали в росте и имели много мертвых тканей. Но гомозиготные устойчивые растения - с двумя копиями доминантного аллеля - выглядели так, будто их не опрыскивали», - говорит О'Брайен.
«Растения без доминантного аллеля просто забиты, даже при низких дозах применения гербицидов», - добавляет Рихерс.
Это доказательство, наряду с более подробными молекулярными данными, дает команде уверенность в том, что они обнаружили что-то уникальное. «Возможно, это единственный случай, когда мы действительно обнаружили ген, ответственный за метаболическую устойчивость у широколиственных сорняков, в отличие от устойчивости к любому гербициду, - объясняет Ричерс.
В дальнейшем тест на этот ген будет аналогичен тесту на устойчивость к атразину в целевом сайте. Новая информация также может быть использована промышленностью для разработки новых химикатов для борьбы с водяной коноплей.
«Пока мы знаем ген, вы потенциально можете отключить его и снова сделать растение чувствительным. Вы можете разработать химическое вещество, ингибирующее GST, специфичное для этого GST», - говорит Рихерс..