Saagigeneetika: haiguskindluse arendamine ülemaailmse toiduga kindlustatuse tagamiseks

Taimhaigused kujutavad endast märkimisväärset ohtu ülemaailmsele toiduga kindlustatusele. Patogeenid nagu seened, bakterid, viirused ja nematoodid võivad saaki hävitada, põhjustades märkimisväärseid saagikadu ja majanduslikke raskusi põllumeestele kogu maailmas. Seetõttu on haiguskindlate saagisortide arendamine kriitiline strateegia stabiilse ja säästva toiduvaru tagamiseks. Saagigeneetikal on selles ettevõtmises keskne roll, pakkudes vahendeid ja teadmisi taim-patogeenide interaktsioonide mõistmiseks ja manipuleerimiseks.

Haiguskindluse tähtsus saagikultuurides

Taimhaiguste mõju ülemaailmsele põllumajandusele on sügav. Mõelge järgmistele punktidele:

• Saagikaod: Taimhaigused võivad vähendada saagikust mõnes piirkonnas kuni 40%, eriti arengumaades.
• Majanduslik mõju: Saagikaod tähendavad igal aastal miljardeid dollareid majanduslikku kahju, mis mõjutab põllumehi, tarbijaid ja ülemaailmset majandust.
• Toiduga kindlustatus: Haiguspuhangud võivad põhjustada toidupuudust, alatoitumust ja isegi näljahäda, eriti haavatavates populatsioonides. 19. sajandi keskpaiga Iiri kartulinälg, mille põhjustas oomütseet *Phytophthora infestans*, on karm meeldetuletus taimhaiguse laastavatest tagajärgedest.
• Keskkonnamõju: Keemiliste pestitsiidide kasutamine taimhaiguste tõrjeks võib avaldada kahjulikku mõju keskkonnale, sealhulgas mulla ja vee saastumine, kahju kasulikele putukatele ja pestitsiididele resistentsete patogeenide areng.

Haiguskindlate saagisortide arendamine pakub säästvat ja keskkonnasõbralikku alternatiivi ainult keemilistele tõrjevahenditele tuginemisele. Geneetilise resistentsuse lisamisega saagikultuuridesse saame vähendada pestitsiidide vajadust, minimeerida saagikadu ja suurendada toiduga kindlustatust.

Haiguskindluse geneetiline alus taimedes

Taimedel on keerukas immuunsüsteem, mis võimaldab neil patogeene ära tunda ja nende vastu kaitsta. See immuunsus on geneetiliselt määratud ja hõlmab geenide ja signaaliradade keerukat koosmõju. On kahte peamist tüüpi resistentsust:

1. Kvalitatiivne resistentsus (R-geeni resistentsus)

Kvalitatiivset resistentsust, tuntud ka kui R-geeni resistentsust, vahendavad üksikud domineerivad geenid (R-geenid), mis tunnevad ära spetsiifilised patogeensete efektorid (avirulentsustegurid). See interaktsioon käivitab kiire ja tugeva kaitsereaktsiooni, mis sageli hõlmab programmeeritud rakusurma nakatumiskohas (ülitundlik reaktsioon, HR). R-geeni resistentsus on tavaliselt väga tõhus, kuid patogeenid, mis arendavad uusi efektori variante, võivad selle ületada. Näiteks on paljudel nisu sortidel arendatud R-geenid, mis annavad resistentsuse nisurooste seeneliigi *Puccinia graminis f. sp. tritici* spetsiifiliste rasside suhtes. Kuid uute virulentsete rasside, nagu Ug99, ilmumine on rõhutanud ainult üksikute R-geenidele tuginemise piiranguid.

2. Kvantitatiivne resistentsus (osaline resistentsus)

Kvantitatiivset resistentsust, tuntud ka kui osalist resistentsust või põlluresistentsust, kontrollivad mitu geeni (QTL – kvantitatiivse tunnuse lokus), mis aitavad lisanduvana kaasa madalamale resistentsuse tasemele. Erinevalt R-geeni resistentsusest on kvantitatiivne resistentsus tavaliselt tõhus laiemale patogeenide ringile ja on vastupidavam, mis tähendab, et patogeeni areng on seda vähem tõenäoliselt ületanud. Kuid kvantitatiivset resistentsust on sageli raskem tuvastada ja saagikultuuridesse lisada selle keerulise geneetilise arhitektuuri tõttu. Näiteks on riisi vastupidavus haigusele, mida kontrollib mitu QTL-i, mis tagab laia spektriga ja pikaajalise kaitse.

Strateegiad haiguskindlate saagikultuuride arendamiseks

Haiguskindlate saagikultuuride arendamiseks kasutatakse mitmeid strateegiaid, millest igaühel on oma eelised ja piirangud:

1. Tavapärane taimede aretus

Tavapärane taimede aretus hõlmab soovitud omadustega, sealhulgas haiguskindlusega taimede valimist ja ristamist. See protsess võib olla aeganõudev ja töömahukas, kuid see on olnud väga edukas paljude haiguskindlate saagisortide arendamisel. Protsess hõlmab tavaliselt:

• Resistentsuse allikate kindlakstegemine: Olemasoleva germplasmide (taimegeneetiliste ressursside kogumid) sõelumine, et määrata kindlaks konkreetsete haiguste suhtes resistentsed taimed. Saagikultuuride metsikud sugulased on sageli väärtuslik resistentsusgeenide allikas.
• Resistentsete taimede ristamine eliitsortidega: Resistentsete taimede ristamine kõrge saagikusega või muul viisil soovitud sortidega, et kombineerida resistentsust muude oluliste omadustega.
• Resistentsuse valimine: Järeltulijate (järgnevate põlvkondade) hindamine sihthaiguse suhtes resistentsuse suhtes ja kõige resistentsemate taimede valimine edasiseks aretuseks.
• Tagasiristamine: Korduv ristamine resistentsete järeltulijatega eliitsordiga, et saada tagasi eliitsordi soovitud omadused, säilitades samal ajal resistentsuse.

Näiteks on traditsioonilise aretuse kaudu arendatud kartulisortid, mis on vastupidavad lehemädanikule, kasutades metsikute kartuliliikide geene, mis on looduslikult vastupidavad *Phytophthora infestans* suhtes.

2. Markeritega abistatud valik (MAS)

Markeritega abistatud valik (MAS) kasutab DNA markereid, mis on seotud haiguskindlust kontrollivate geenidega, et valida aretuse ajal resistentseid taimi. See võib kiirendada aretusprotsessi ja parandada valiku efektiivsust, eriti omaduste puhul, mida on raske või kallis otseselt hinnata. Protseduur hõlmab:

• Resistentsusgeenidega seotud DNA markerite tuvastamine: DNA markerite (nt SNP, SSR) kindlakstegemine, mis on tihedalt seotud sihtresistentsuse geeniga või QTL-iga.
• Taimede genotüüpimine: Üksikute taimede DNA analüüsimine, et määrata kindlaks, milliseid markeri alleele (variante) neil on.
• Soodsa markeri alleele kandvate taimede valimine: Resistentsusega seotud markeri alleele kandvate taimede valimine edasiseks aretuseks.

MAS-i on edukalt kasutatud riisi aretuses, et viia resistentsusgeenid sisse bakteriaalsele kõrbele ja lehelaiksusele, kiirendades oluliselt resistentsete sortide arendamist. Näiteks on Xa21 geen riisi bakteriaalse kõrbe suhtes resistentsuse jaoks võimalik tõhusalt valida, kasutades seotud DNA markereid.

3. Geneetiline inseneriteadus (transgeensed lähenemised)

Geneetiline inseneriteadus hõlmab geenide otsest ülekandmist ühest organismist teise, sealhulgas haiguskindlust andvad geenid. Seda lähenemisviisi saab kasutada resistentsusgeenide sissetoomiseks mitteseotud liikidest või olemasolevate taimede geenide muutmiseks, et suurendada resistentsust. Sammud on järgmised:

• Resistentsusgeenide tuvastamine ja eraldamine: Teiste taimede, bakterite või isegi loomade resistentsust andvate geenide tuvastamine ja eraldamine.
• Geeni sissetoomine saagikultuuri: Geeni sissetoomine saagikultuuri vektori (nt *Agrobacterium*) või geenipüstoli abil.
• Transgeensete taimede valimine ja kontrollimine: Taimede valimine, mis on geeni edukalt oma genoomi integreerinud, ja kontrollimine, et geen on funktsionaalne ja annab resistentsuse.

Bt-puuvill, mis väljendab geeni bakterist *Bacillus thuringiensis*, mis annab resistentsuse teatud putukakahjuritele, on geneetiliselt muundatud saagikultuuri silmapaistev näide. Samamoodi on geneetiliselt muundatud papaia, mis on vastupidav papaia rõngasvirtsu viirusele (PRSV), päästnud Hawaii papaia tööstuse.

4. Geenide redigeerimine (CRISPR-Cas9)

Geenide redigeerimise tehnoloogiad, nagu CRISPR-Cas9, võimaldavad täpselt ja sihipäraselt muuta taimede geene. Seda saab kasutada haigusele vastuvõtlikuks muutvate geenide väljalülitamiseks, resistentsusgeenide lisamiseks või olemasolevate resistentsusmehhanismide täiustamiseks. Meetod koosneb:

• Juht-RNA-de projekteerimine: Juht-RNA-de projekteerimine, mis suunavad Cas9 ensüümi konkreetsetesse kohtadesse taime genoomis.
• CRISPR-Cas9 süsteemi sissetoomine taimesse: CRISPR-Cas9 süsteemi sissetoomine taimesse vektori või muu manustamismeetodi abil.
• Redigeeritud taimede valimine ja kontrollimine: Taimede valimine, mis on läbinud soovitud geenide redigeerimise ja kontrollimine, et muudatus annab resistentsuse.

CRISPR-Cas9 on kasutatud riisisortide arendamiseks, mis on resistentsed bakteriaalsele kõrbele, redigeerides *OsSWEET14* geeni, mida patogeen kasutab toitainete juurdepääsuks. Samamoodi on seda kasutatud jahukaste suhtes resistentsuse suurendamiseks nisus.

Püsiva haiguskindluse arendamise väljakutsed

Kuigi haiguskindlate saagikultuuride arendamisel on tehtud olulist edu, on veel mitmeid väljakutseid:

• Patogeenide areng: Patogeenid võivad kiiresti areneda, et ületada resistentsusgeene, eriti üksikuid, suuremaid geene. See on pidev võidurelvastumine aretajate ja patogeenide vahel.
• Resistentsuse keerukus: Kvantitatiivset resistentsust kontrollib sageli mitu geeni, mistõttu on seda raske tuvastada ja saagikultuuridesse lisada.
• Kompromissid muude tunnustega: Haiguskindluse lisamine võib mõnikord tulla muude soovitud omaduste, näiteks saagikuse või kvaliteedi, arvelt.
• Regulatiivsed takistused ja avalik arvamus: Geneetiliselt muundatud saagikultuurid seisavad mõnes piirkonnas silmitsi regulatiivsete takistustega ja avalike probleemidega, mis piiravad nende kasutuselevõttu.
• Kliimamuutused: Kliimamuutused muudavad taimede patogeenide levikut ja virulentsust, tekitades uusi väljakutseid haiguste tõrjeks.

Strateegiad väljakutsetest ülesaamiseks ja püsiva resistentsuse saavutamiseks

Nende väljakutsete ületamiseks ja püsiva haiguskindluse arendamiseks kasutavad teadlased ja aretajad mitmesuguseid strateegiaid:

1. Geenide püramiidimine

Geenide püramiidimine hõlmab mitme resistentsusgeeni kombineerimist ühte sorti. See muudab patogeenidel resistentsuse ületamise keerulisemaks, sest nad peaksid korraga ületama mitu geeni. Geenide püramiidimist saab saavutada tavapärase aretuse, markeritega abistatud valiku või geneetilise inseneritehnoloogia abil.

2. Resistentsusgeenide mitmekesistamine

Erinevates sortides ja piirkondades erinevate resistentsusgeenide kasutuselevõtt võib vähendada patogeenide valikusurvet ja aeglustada virulentsuse arengut. Seda saab saavutada külvikorra, sortide segude ja piirkondlike rakendusstrateegiate abil.

3. Patogeeni bioloogia mõistmine

Täpsem arusaam patogeeni bioloogiast, sealhulgas nende nakatumismehhanismidest, virulentsusteguritest ja arengustrateegiatest, on oluline tõhusate ja püsivate resistentsusstrateegiate väljatöötamisel. Neid teadmisi saab kasutada uute resistentsusgeenide tuvastamiseks ja uute tõrjemeetodite väljatöötamiseks.

4. Resistentsuse integreerimine teiste tõrjemeetmetega

Geneetilise resistentsuse integreerimine teiste tõrjemeetmetega, nagu kultuuritavad, bioloogiline tõrje ja pestitsiidide mõistlik kasutamine, võib anda tugevama ja jätkusuutlikuma lähenemisviisi haiguste tõrjeks. See integreeritud kahjuritõrje (IPM) lähenemine võib vähendada sõltuvust ühestki tõrjemeetmest ja minimeerida resistentsuse arengu ohtu.

5. Uute tehnoloogiate kasutamine

Uued tehnoloogiad, nagu genoomi järjestamine, transkriptoomika, proteoomika ja metaboloomika, annavad uusi teadmisi taim-patogeenide interaktsioonidest ja kiirendavad resistentsusgeenide avastamist. Neid tehnoloogiaid saab kasutada ka patogeenide populatsioonide jälgimiseks ja uute virulentsete tüvede tekkimise ennustamiseks.

Eduka haiguskindluse arendamise globaalsed näited

Mitmed edukad näited demonstreerivad saagigeneetika jõudu haiguskindlate saagikultuuride arendamisel:

• Riisi lehelaiksuse resistentsus Aasias: Ulatuslikud uuringud ja aretustööd on viinud riisisortide arendamiseni, millel on püsiv resistentsus lehelaiksusele, mis on Aasia riisitootmisele suur oht.
• Nisu rooste resistentsus Austraalias: Austraalia nisuaretajad on olnud väga edukad nisu sortide arendamisel, millel on vastupidavus varre roostele, lehiroostele ja triipuroostele, tagades stabiilse nisu tootmise piirkonnas.
• Kassava mosaiikhaiguse resistentsus Aafrikas: Aretusprogrammid on arendanud kassavasordid, mis on vastupidavad kassava mosaiikhaigusele (CMD), viirushaigusele, mis mõjutab tugevalt kassava tootmist Aafrikas, mis on miljonite põhitoit.
• Viinamarjade resistentsus filokserale Euroopas: Euroopa viinapuude pookimine Ameerika viinamarjaliikide juurevarudele, mis on vastupidavad juuretoidu kirbule filokserale, päästis Euroopa veinitööstuse 19. sajandi lõpus.
• Banaanide resistentsus Panama haigusele (TR4): Käimas on uuringud, et arendada banaanisorte, mis on vastupidavad Panama haiguse troopilisele rassile 4 (TR4), mullas levivale seenhaigusele, mis ohustab banaanitootmist kogu maailmas. Püüdlused hõlmavad tavapärast aretust, geneetilist inseneritööd ja geenide redigeerimist.

Haiguskindluse tulevik saagikultuurides

Haiguskindluse tulevik saagikultuurides seisneb mitmetahulises lähenemises, mis ühendab traditsioonilise aretuse parima, kaasaegse biotehnoloogia ja sügava arusaama taim-patogeenide interaktsioonidest. Peamised fookusvaldkonnad on:

• Genoomika jõu rakendamine: Genoomika kasutamine uute resistentsusgeenide tuvastamiseks ja iseloomustamiseks ning püsiva resistentsuse geneetilise aluse mõistmiseks.
• Uuenduslike aretusstrateegiate arendamine: Täiustatud aretusmeetodite, nagu genoomiline valik ja kiiruse aretus, rakendamine haiguskindlate sortide arendamise kiirendamiseks.
• Geenide redigeerimise tehnoloogiate kasutamine: Geenide redigeerimise tehnoloogiate kasutamine taimede geenide täpseks muutmiseks ja resistentsuse suurendamiseks laiemale patogeenide valikule.
• Säästva põllumajanduse tavade edendamine: Haiguskindluse integreerimine säästva põllumajanduse tavadega, nagu külvikord, vahekultuuride kasvatamine ja säästlik harimine, et vähendada haiguspuhangute ohtu ja edendada pikaajalist toiduga kindlustatust.
• Rahvusvahelise koostöö tugevdamine: Rahvusvahelise koostöö edendamine teadlaste, aretajate ja poliitikakujundajate vahel, et jagada teadmisi, ressursse ja germplasmat ning lahendada taimhaiguste ülemaailmne väljakutse.

Järeldus

Haiguskindlate saagisortide arendamine on oluline ülemaailmse toiduga kindlustatuse tagamiseks ja taimsete patogeenide mõju leevendamiseks. Saagigeneetikal on selles ettevõtmises oluline roll, pakkudes vahendeid ja teadmisi taim-patogeenide interaktsioonide mõistmiseks ja manipuleerimiseks. Kasutades mitmesuguseid strateegiaid alates tavapärasest aretusest kuni geenide redigeerimiseni ja edendades rahvusvahelist koostööd, saame arendada püsivat haiguskindlust ja kaitsta oma toiduvarusid tulevaste põlvkondade jaoks.

Saagigeneetika uurimisse ja arendamisse investeerimine on oluline samm vastupidavama ja säästvama ülemaailmse toidusüsteemi ülesehitamisel. Andes põllumeestele haiguskindlaid saagisorte, saame vähendada saagikadu, minimeerida pestitsiidide kasutamist ja tagada stabiilse ja toitainerikka toiduvaru kõigile.