Когда сельскохозяйственные сорняки вырабатывают устойчивость к гербицидам, они делают это одним из двух способов. При резистентности к месту-мишени крошечная мутация в генетическом коде растения означает, что химическое вещество больше не вписывается в белок, для атаки которого оно предназначено. При сопротивлении не на целевом участке растение использует целый ряд ферментов, которые обезвреживают химическое вещество до того, как оно причинит вред.
Сопротивляемость целевому объекту не составляет труда для ученых. Они знают, какой белок является мишенью, а это значит, что они могут напрямую изучить генетический код, чтобы определить ответственную за него мутацию. Но для сопротивления нецелевого сайта это игра в угадайку. Исследователи иногда могут сказать, какой класс ферментов обезвреживает химическое вещество, но они почти ничего не знают о том, какие гены кодируют эти ферменты. Другими словами, сопротивление нецелевого сайта - это черный ящик.
Исследование Университета Иллинойса впервые открыло эту коробку по-новому, идентифицировав области генов, ответственные за устойчивость к гербицидам, не являющимся целевыми участками, у водяной конопли.
«Мы использовали метод генетического картирования с эталонным геномом водяной конопли, вида, который может вызывать потери урожая более чем на 70% у кукурузы и устойчив к семи способам действия гербицидов», - говорит Пэт Транел, профессор и научный сотрудник. руководитель Департамента растениеводства Университета Иллинойса и соавтор исследования. «Мы смогли сузить его до двух областей генома, или около 60 генов».
Возможность определить гены устойчивости на нецелевых участках может позволить использовать инструменты для раннего обнаружения и управления гербицидами.
В конечном итоге мы хотим разработать анализ, который фермеры могут использовать, чтобы определить, устойчива ли водяная конопля на их поле к данному химическому веществу, либо для подтверждения того, почему предыдущее применение не сработало, либо перед опрыскиванием, чтобы проверить, «Мы будем тратить деньги впустую», - говорит Брент Мерфи, докторант и ведущий автор исследования. «Эти геномные анализы существуют для устойчивости к сайту-мишени, потому что мы знаем область генома, где находятся эти мутации, но для устойчивости не к сайту-мишени мы до сих пор понятия не имели, где искать..
"Теперь мы знаем, что ответственные гены находятся где-то в этих двух небольших участках генома. Итак, мы подошли к промежуточному этапу, чтобы в конечном итоге разработать анализ, который производители могут использовать для определения того, следует ли им опрыскивать определенная химия."
Исследователи специально искали гены, которые позволяют водяной конопле избегать гербицидов, ингибирующих HPPD, таких как темботрион, химическое вещество, обычно применяемое при выращивании семян кукурузы и других производственных системах.
Чтобы найти ответственные области генома, они скрестили растения водяной конопли, которые показали устойчивость или чувствительность к ингибиторам HPPD. Затем они подвергли внуков этих родительских растений гербицидам, ингибирующим HPPD, чтобы посмотреть, как они себя поведут. Поскольку теперь доступен полный геном водяной конопли, они смогли найти общие черты среди растений, которые выжили после применения ингибитора HPPD.
По сути, вы задаете вопрос для устойчивых растений, какую часть их генома они разделяют? И это приводит вас к тому, какая часть генома контролирует интересующий признак. Используя этот подход, известные в качестве генетического картирования мы идентифицировали две области генома, которые, по-видимому, связаны с резистентностью», - говорит Транел.
Мерфи смог определить, какие растения имеют каждую из двух областей, а какие - обе. Это позволило ему ранжировать важность участков гена.
"Часто мы знаем, что признак контролируется двумя генами. Но означает ли это, что оба гена одинаково важны, или один ген отвечает на 90%, а другой - на 10%? Это часть того, что мы рассматриваем в генетической архитектуре признака: количество генов, их расположение и относительная важность этих разных генов», - говорит Транел. «Здесь мы увидели хороший пошаговый эффект. Если у вас был один из регионов, вы были своего рода устойчивыми. Если у вас был другой, вы были своего рода сопротивлением. Если они у вас есть оба? Ты довольно стойкий. По сути, как сопротивляющийся родитель."
Хотя исследователи до сих пор не знают, какой из 60-ти генов необходим для устойчивости к ингибиторам HPPD, они планируют провести дополнительные исследования, чтобы еще больше сузить поиск - они не знают ни одного из генов, кодирующих ферменты р450. Они были вовлечены в многочисленные исследования как ключевые игроки в резистентности нецелевого сайта.
«Хотя фермент p450 все еще может быть задействован, наше картирование показывает, что изменение, вызывающее устойчивость, находится в гене, регулирующем p450, а не в самом гене p450», - объясняет Транел.
HPPD-ингибиторы обычно используются в посевной кукурузе и других системах производства кукурузы, но, что интересно, они не использовались в поле, где исследователи собирали водяную коноплю для исследования.
Этот химикат не использовался в полевых условиях ранее. Поэтому было действительно интересно увидеть, что наша популяция была устойчива к нему. Как это развивалось? Большую часть времени вы ожидаете развития устойчивости в результате некоторой формы давления отбора. Но здесь у нас нет явного давления», - говорит Мерфи.
Транел считает, что устойчивость к одному классу гербицидов на нецелевых участках может привести к перекрестной устойчивости к другим классам. Популяция в исследовании была устойчива к 2, 4-D, гербициду из другого класса, который мог вызвать устойчивость к ингибиторам HPPD.
Почему у нас есть это растение, устойчивое ко многим гербицидам? Есть ли какие-то общие геномные изменения, способствующие этой устойчивости? Очень важно понять это, поскольку мы пытаемся дать фермерам советы о том, что они могут сделать, чтобы смягчить сопротивление нецелевого сайта, потому что это все еще что-то вроде черного ящика», - говорит Транел.«В случае устойчивости на целевом участке мы можем предложить им использовать гербициды с разными механизмами действия. Но при устойчивости не на целевом участке разные гербициды могут метаболизироваться, например, разными p450, которые регулируются одинаково. Вот почему нам нужно разобраться в этом, чтобы придумать лучшие, более обоснованные стратегии для смягчения сопротивления нецелевых сайтов».
Транел ожидает, что по мере того, как станет доступно больше геномов сорняков, генетическое картирование станет основой для исследования устойчивости не на целевых участках.
«Наконец-то мы получили инструменты, необходимые для того, чтобы действительно разобраться в метаболической устойчивости к гербицидам, которая представляет собой величайшую угрозу для современной борьбы с сорняками», - говорит он.