Генетика на културите: Разработване на устойчивост към болести за глобална продоволствена сигурност

Растителните болести представляват сериозна заплаха за глобалната продоволствена сигурност. Патогени като гъбички, бактерии, вируси и нематоди могат да унищожат културите, което води до значителни загуби на добив и икономически затруднения за фермерите по света. Разработването на устойчиви на болести сортове култури е следователно критична стратегия за осигуряване на стабилно и устойчиво снабдяване с храни. Генетиката на културите играе централна роля в това начинание, предоставяйки инструменти и знания за разбиране и манипулиране на взаимодействията между растенията и патогените.

Значението на устойчивостта към болести при културите

Въздействието на растителните болести върху световното земеделие е огромно. Обмислете следното:

• Загуби на добив: Растителните болести могат да намалят добивите на културите с до 40% в някои региони, особено в развиващите се страни.
• Икономическо въздействие: Загубите на реколтата се превръщат в милиарди долари годишни икономически загуби, засягащи фермери, потребители и световната икономика.
• Продоволствена сигурност: Избухването на болести може да доведе до недостиг на храна, недохранване и дори глад, особено сред уязвими групи от населението. Ирландският картофен глад от средата на 19-ти век, причинен от оомицета Phytophthora infestans, остава ярко напомняне за опустошителните последици от растителните болести.
• Въздействие върху околната среда: Използването на химически пестициди за контрол на растителни болести може да има пагубно въздействие върху околната среда, включително замърсяване на почвата и водата, увреждане на полезни насекоми и развитие на устойчиви на пестициди патогени.

Разработването на устойчиви на болести сортове култури предлага устойчива и екологично чиста алтернатива на разчитането само на химически контроли. Като включваме генетична устойчивост в културите, можем да намалим нуждата от пестициди, да сведем до минимум загубите на добив и да подобрим продоволствената сигурност.

Генетична основа на устойчивостта към болести при растенията

Растенията притежават сложна имунна система, която им позволява да разпознават и защитават от патогени. Този имунитет е генетично определен и включва сложно взаимодействие на гени и сигнални пътеки. Има два основни типа устойчивост:

1. Качествена устойчивост (R-генна устойчивост)

Качествената устойчивост, известна още като R-генна устойчивост, се придава от единични доминантни гени (R гени), които разпознават специфични патогенни ефектори (авирулентни фактори). Това взаимодействие предизвиква бърз и мощен защитен отговор, често включващ програмирана клетъчна смърт на мястото на инфекция (хиперчувствителен отговор, HR). R-генната устойчивост обикновено е високо ефективна, но може да бъде преодоляна от патогени, които еволюират нови варианти на ефектори. Например, много сортове пшеница са разработени с R гени, придаващи устойчивост на специфични раси на ръждивия гъбичен патоген на пшеницата Puccinia graminis f. sp. tritici. Въпреки това, появата на нови, вирулентни раси, като Ug99, подчерта ограниченията на разчитането само на единични R гени.

2. Количествена устойчивост (частична устойчивост)

Количествената устойчивост, известна още като частична устойчивост или полева устойчивост, се контролира от множество гени (QTL – количествени локуси на чертите), които допринасят адитивно за по-ниско ниво на устойчивост. За разлика от R-генната устойчивост, количествената устойчивост обикновено е ефективна срещу по-широк спектър от патогени и е по-трайна, което означава, че е по-малко вероятно да бъде преодоляна от еволюцията на патогените. Въпреки това, количествената устойчивост често е по-трудна за идентифициране и включване в културите поради сложната си генетична архитектура. Пример е трайната устойчивост на болестта „оризова плесен“ при ориза, контролирана от множество QTL, която осигурява широкоспектърна и дълготрайна защита.

Стратегии за разработване на устойчиви на болести култури

Използват се няколко стратегии за разработване на устойчиви на болести сортове култури, всяка със своите предимства и ограничения:

1. Конвенционална растителна селекция

Конвенционалната растителна селекция включва избор и кръстосване на растения с желани черти, включително устойчивост към болести. Този процес може да бъде бавен и трудоемък, но е много успешен в разработването на много устойчиви на болести сортове култури. Процесът обикновено включва:

• Идентифициране на източници на устойчивост: Скрининг на съществуващ гермоплазма (колекции от генетични ресурси на растенията) за идентифициране на растения с устойчивост към специфични болести. Дивите родственици на културите често са ценен източник на гени за устойчивост.
• Кръстосване на устойчиви растения с елитни сортове: Кръстосване на устойчиви растения с високодобивни или други желани сортове за комбиниране на устойчивостта с други важни черти.
• Селекция за устойчивост: Оценка на потомството (отрочета) за устойчивост към целевата болест и избор на най-устойчивите растения за по-нататъшна селекция.
• Обратно кръстосване: Многократно кръстосване на устойчивото потомство с елитния сорт за възстановяване на желаните черти на елитния сорт, като същевременно се поддържа устойчивостта.

Пример е разработването на устойчиви на мана картофени сортове чрез традиционна селекция, използвайки гени от диви видове картофи, които проявяват естествена устойчивост към Phytophthora infestans.

2. Маркер-асистирана селекция (MAS)

Маркер-асистираната селекция (MAS) използва ДНК маркери, които са свързани с гени, контролиращи устойчивостта към болести, за селекция на устойчиви растения по време на селекцията. Това може да ускори процеса на селекция и да подобри ефективността на селекцията, особено за черти, които са трудни или скъпи за оценка директно. Процедурата включва:

• Идентифициране на ДНК маркери, свързани с гени за устойчивост: Идентифициране на ДНК маркери (напр. SNP, SSR), които са тясно свързани с целевия ген за устойчивост или QTL.
• Генотипизиране на растения: Анализиране на ДНК на отделни растения за определяне кои алели (варианти) на маркера притежават.
• Селекция на растения с благоприятни алели на маркери: Селекция на растения, които носят маркерните алели, свързани с устойчивостта, за по-нататъшна селекция.

MAS е успешно използван в селекцията на ориз за интрогресия на гени за устойчивост към бактериална петнистост и оризова плесен, значително ускорявайки разработването на устойчиви сортове. Например, генът Xa21 за устойчивост към бактериална петнистост при ориза може ефективно да бъде селектиран с помощта на свързани ДНК маркери.

3. Генно инженерство (трансгенни подходи)

Генното инженерство включва директно пренасяне на гени от един организъм към друг, включително гени, които придават устойчивост на болести. Този подход може да се използва за въвеждане на гени за устойчивост от несвързани видове или за модифициране на съществуващи растителни гени за повишаване на устойчивостта. Стъпките са:

• Идентифициране и изолиране на гени за устойчивост: Идентифициране и изолиране на гени, които придават устойчивост от други растения, бактерии или дори животни.
• Въвеждане на гена в културното растение: Въвеждане на гена в културното растение с помощта на вектор (напр. Agrobacterium) или генен пистолет.
• Селекция и проверка на трансгенни растения: Селекция на растения, които успешно са интегрирали гена в своя геном, и проверка, че генът е функционален и придава устойчивост.

Памукът Bt, който експресира ген от бактерията Bacillus thuringiensis, придаващ устойчивост на определени насекоми вредители, е забележителен пример за генно-инженерна култура. По подобен начин, генетично модифицирана папая, устойчива на вируса на петнистостта по папаята (PRSV), е спасила папая индустрията на Хавай.

4. Генно редактиране (CRISPR-Cas9)

Технологиите за генно редактиране, като CRISPR-Cas9, позволяват прецизни и насочени модификации на растителни гени. Това може да се използва за изключване на гени, които правят растенията податливи на болести, за въвеждане на гени за устойчивост или за подобряване на съществуващите механизми за устойчивост. Методът включва:

• Проектиране на направляващи РНК: Проектиране на направляващи РНК, които насочват ензима Cas9 към специфични места в генома на растението.
• Въвеждане на CRISPR-Cas9 системата в растението: Въвеждане на CRISPR-Cas9 системата в растението с помощта на вектор или друг метод за доставка.
• Селекция и проверка на редактирани растения: Селекция на растения, които са претърпели желаното генно редактиране, и проверка, че редакцията придава устойчивост.

CRISPR-Cas9 е използван за разработване на сортове ориз, устойчиви на бактериална петнистост, чрез редактиране на гена OsSWEET14, който патогенът използва за достъп до хранителни вещества. По подобен начин, той е използван за подобряване на устойчивостта на брашнеста мана при пшеницата.

Предизвикателства при разработването на трайна устойчивост към болести

Въпреки значителния напредък в разработването на устойчиви на болести култури, остават няколко предизвикателства:

• Еволюция на патогените: Патогените могат бързо да еволюират, за да преодолеят гените за устойчивост, особено единични, главни гени. Това е постоянна надпревара във въоръжаването между селекционерите и патогените.
• Сложност на устойчивостта: Количествената устойчивост често се контролира от множество гени, което затруднява нейното идентифициране и включване в културите.
• Компромиси с други черти: Включването на устойчивост към болести понякога може да бъде за сметка на други желани черти, като добив или качество.
• Регулаторни пречки и обществено възприятие: Генно-инженерните култури се сблъскват с регулаторни пречки и обществени опасения в някои региони, ограничавайки тяхното приемане.
• Изменение на климата: Изменението на климата променя разпространението и вирулентността на растителните патогени, създавайки нови предизвикателства за контрол на болестите.

Стратегии за преодоляване на предизвикателствата и постигане на трайна устойчивост

За да преодолеят тези предизвикателства и да разработят трайна устойчивост към болести, изследователите и селекционерите прилагат разнообразни стратегии:

1. Пирамидиране на гени

Пирамидирането на гени включва комбиниране на множество гени за устойчивост в един сорт. Това затруднява патогените да преодолеят устойчивостта, тъй като те ще трябва едновременно да преодолеят множество гени. Пирамидирането на гени може да бъде постигнато чрез конвенционална селекция, маркер-асистирана селекция или генно инженерство.

2. Диверсификация на гените за устойчивост

Разполагането на разнообразен набор от гени за устойчивост в различни сортове и региони може да намали селекционния натиск върху патогените и да забави еволюцията на вирулентността. Това може да бъде постигнато чрез сеитбооборот, смесени сортове и регионални стратегии за разполагане.

3. Разбиране на биологията на патогените

По-задълбоченото разбиране на биологията на патогените, включително техните механизми на инфекция, фактори на вирулентност и еволюционни стратегии, е от решаващо значение за разработването на ефективни и трайни стратегии за устойчивост. Тези знания могат да бъдат използвани за идентифициране на нови гени за устойчивост и за проектиране на нови стратегии за контрол.

4. Интегриране на устойчивостта с други мерки за контрол

Интегрирането на генетичната устойчивост с други мерки за контрол, като агротехнически практики, биологичен контрол и разумно използване на пестициди, може да осигури по-здрав и устойчив подход към контрола на болестите. Този интегриран подход за борба с вредителите (IPM) може да намали зависимостта от една единствена мярка за контрол и да сведе до минимум риска от развитие на устойчивост.

5. Използване на нови технологии

Нововъзникващи технологии, като геномно секвениране, транскриптомика, протеомика и метаболомика, предоставят нови прозрения за взаимодействията между растенията и патогените и ускоряват откриването на гени за устойчивост. Тези технологии могат да бъдат използвани и за наблюдение на популациите от патогени и за прогнозиране на появата на нови вирулентни щамове.

Глобални примери за успешно разработване на устойчивост към болести

Няколко успешни примера демонстрират силата на генетиката на културите в разработването на устойчиви на болести култури:

• Устойчивост на оризова плесен в Азия: Обширни изследователски и селекционни усилия доведоха до разработването на сортове ориз с трайна устойчивост на оризова плесен, основна заплаха за производството на ориз в Азия.
• Устойчивост на ръжда при пшеницата в Австралия: Австралийските селекционери на пшеница са много успешни в разработването на сортове пшеница с устойчивост на стъблена ръжда, листна ръжда и лентовидна ръжда, осигурявайки стабилно производство на пшеница в региона.
• Устойчивост на касетъчна мозаична болест в Африка: Програмите за селекция са разработили сортове касетъс с устойчивост на касетъсна мозаична болест (CMD), вирусна болест, която силно засяга производството на касетъс в Африка, основна храна за милиони.
• Устойчивост на лозата към филоксера в Европа: Присаждането на европейски лози върху подложки от американски видове грозде, които са устойчиви на афидата филоксера, хранеща се с корените, спаси европейската винена индустрия в края на 19-ти век.
• Устойчивост на банани към болестта Панама (TR4): Изследванията продължават за разработване на сортове банани, устойчиви на Тропическа раса 4 (TR4) на болестта Панама, гъбично заболяване, пренасяно от почвата, което застрашава производството на банани по света. Усилията включват конвенционална селекция, генно инженерство и генно редактиране.

Бъдещето на устойчивостта към болести при културите

Бъдещето на устойчивостта към болести при културите се крие в многостранен подход, който комбинира най-доброто от традиционната селекция, модерната биотехнология и дълбокото разбиране на взаимодействията между растенията и патогените. Ключовите области на фокус включват:

• Използване на силата на геномиката: Използване на геномиката за идентифициране и характеризиране на нови гени за устойчивост и за разбиране на генетичната основа на трайната устойчивост.
• Разработване на иновативни стратегии за селекция: Използване на усъвършенствани техники за селекция, като геномна селекция и бърза селекция, за ускоряване на разработването на устойчиви на болести сортове.
• Използване на технологии за генно редактиране: Използване на технологии за генно редактиране за прецизно модифициране на растителни гени и подобряване на устойчивостта към по-широк спектър от патогени.
• Насърчаване на устойчиви селскостопански практики: Интегриране на устойчивостта към болести с устойчиви селскостопански практики, като сеитбооборот, междукултурни практики и опазващо земеделие, за намаляване на риска от огнища на болести и насърчаване на дългосрочната продоволствена сигурност.
• Засилване на международното сътрудничество: Насърчаване на международно сътрудничество между изследователи, селекционери и политици за споделяне на знания, ресурси и гермоплазма и за справяне с глобалното предизвикателство на растителните болести.

Заключение

Разработването на устойчиви на болести сортове култури е от съществено значение за осигуряване на глобалната продоволствена сигурност и смекчаване на въздействието на растителните патогени. Генетиката на културите играе решаваща роля в това начинание, предоставяйки инструменти и знания за разбиране и манипулиране на взаимодействията между растенията и патогените. Като прилагаме разнообразен набор от стратегии, от конвенционална селекция до генно редактиране, и като насърчаваме международното сътрудничество, можем да разработим трайна устойчивост към болести и да защитим нашето снабдяване с храни за бъдещите поколения.

Инвестирането в научноизследователска и развойна дейност в областта на генетиката на културите е решаваща стъпка към изграждането на по-устойчива и жизнеспособна глобална хранителна система. Като предоставяме на фермерите устойчиви на болести сортове култури, можем да намалим загубите на добив, да сведем до минимум използването на пестициди и да осигурим стабилно и питателно снабдяване с храни за всички.