Genetika usjeva: Razvoj otpornosti na bolesti za globalnu sigurnost hrane

Biljne bolesti predstavljaju značajnu prijetnju globalnoj sigurnosti hrane. Patogeni poput gljiva, bakterija, virusa i nematoda mogu opustošiti usjeve, dovodeći do značajnih gubitaka prinosa i ekonomske poteškoće za poljoprivrednike diljem svijeta. Stoga je razvoj sorti usjeva otpornih na bolesti ključna strategija za osiguravanje stabilne i održive opskrbe hranom. Genetika usjeva igra središnju ulogu u ovom pothvatu, pružajući alate i znanje za razumijevanje i manipulaciju interakcijama biljke i patogena.

Važnost otpornosti na bolesti kod usjeva

Utjecaj biljnih bolesti na globalnu poljoprivredu je dubok. Razmotrite sljedeće:

• Gubici prinosa: Biljne bolesti mogu smanjiti prinose usjeva za čak 40% u nekim regijama, posebno u zemljama u razvoju.
• Ekonomski utjecaj: Gubici usjeva godišnje se prevode u milijarde dolara ekonomskih gubitaka, utječući na poljoprivrednike, potrošače i globalno gospodarstvo.
• Sigurnost hrane: Izbijanje bolesti može dovesti do nestašice hrane, pothranjenosti, pa čak i gladi, posebno u ranjivim populacijama. Irska kriza krumpira sredinom 19. stoljeća, uzrokovana oomicetom *Phytophthora infestans*, ostaje snažan podsjetnik na razorne posljedice biljnih bolesti.
• Utjecaj na okoliš: Upotreba kemijskih pesticida za kontrolu biljnih bolesti može imati štetne učinke na okoliš, uključujući kontaminaciju tla i vode, štetu korisnim kukcima i razvoj patogena otpornih na pesticide.

Razvoj sorti usjeva otpornih na bolesti nudi održivu i ekološki prihvatljivu alternativu oslanjanju isključivo na kemijske kontrole. Uključivanjem genetske otpornosti u usjeve možemo smanjiti potrebu za pesticidima, minimizirati gubitke prinosa i poboljšati sigurnost hrane.

Genetska osnova otpornosti na bolesti kod biljaka

Biljke posjeduju sofisticirani imunološki sustav koji im omogućuje prepoznavanje i obranu od patogena. Ovaj imunitet genetski je određen i uključuje složenu interakciju gena i signalnih putova. Postoje dvije glavne vrste otpornosti:

1. Kvalitativna otpornost (otpornost R-gena)

Kvalitativna otpornost, također poznata kao otpornost R-gena, prenosi se putem pojedinačnih dominantnih gena (R-gena) koji prepoznaju specifične efektore patogena (faktore avirulencije). Ova interakcija pokreće brz i robustan obrambeni odgovor, često uključujući programiranu staničnu smrt na mjestu infekcije (hipersenzitivni odgovor, HR). Otpornost R-gena obično je vrlo učinkovita, ali je mogu nadvladati patogeni koji razviju nove varijante efektora. Na primjer, mnoge sorte pšenice razvijene su s R-genima koji osiguravaju otpornost na specifične rase gljive pšenične hrđe *Puccinia graminis f. sp. tritici*. Međutim, pojava novih, virulentnih rasa, poput Ug99, istaknula je ograničenja oslanjanja isključivo na pojedinačne R-gene.

2. Kvantitativna otpornost (djelomična otpornost)

Kvantitativna otpornost, također poznata kao djelomična otpornost ili terenska otpornost, kontrolirana je s više gena (QTL-ovi – lokusi kvantitativnih svojstava) koji aditivno doprinose nižoj razini otpornosti. Za razliku od otpornosti R-gena, kvantitativna otpornost obično je učinkovita protiv šireg raspona patogena i trajnija je, što znači da je manje vjerojatno da će je patogeni nadvladati evolucijom. Međutim, kvantitativnu otpornost često je teže identificirati i ugraditi u usjeve zbog njezine složene genetske arhitekture. Primjer je trajna otpornost na bolest rižine plamenjače, kontrolirana s više QTL-ova, koja pruža širokospektralnu i dugotrajnu zaštitu.

Strategije za razvoj usjeva otpornih na bolesti

Nekoliko strategija primjenjuje se za razvoj sorti usjeva otpornih na bolesti, svaka sa svojim prednostima i ograničenjima:

1. Konvencionalno oplemenjivanje bilja

Konvencionalno oplemenjivanje bilja uključuje odabir i križanje biljaka s poželjnim osobinama, uključujući otpornost na bolesti. Ovaj proces može biti dugotrajan i radno intenzivan, ali je bio vrlo uspješan u razvoju mnogih sorti usjeva otpornih na bolesti. Proces obično uključuje:

• Identificiranje izvora otpornosti: Probiranje postojećeg germplazme (zbirki biljnih genetskih resursa) radi identificiranja biljaka otpornih na specifične bolesti. Divlji srodnici usjeva često su vrijedan izvor gena otpornosti.
• Križanje otpornih biljaka s elitnim sortama: Križanje otpornih biljaka s visokoprinosnim ili drugim poželjnim sortama radi kombiniranja otpornosti s drugim važnim osobinama.
• Odabir za otpornost: Procjena potomstva (nasljednika) na otpornost na ciljanu bolest i odabir najotpornijih biljaka za daljnje oplemenjivanje.
• Povratno križanje: Višestruko križanje otpornog potomstva s elitnom sortom radi povratka poželjnih osobina elitne sorte uz održavanje otpornosti.

Primjer je razvoj sorti krumpira otpornih na plamenjaču tradicionalnim oplemenjivanjem, koristeći gene iz divljih vrsta krumpira koje pokazuju prirodnu otpornost na *Phytophthora infestans*.

2. Selekcija potpomognuta markerima (MAS)

Selekcija potpomognuta markerima (MAS) koristi DNA markere koji su povezani s genima koji kontroliraju otpornost na bolesti kako bi se odabrale otporne biljke tijekom oplemenjivanja. To može ubrzati proces oplemenjivanja i poboljšati učinkovitost selekcije, posebno za osobine koje je teško ili skupo izravno procijeniti. Postupak uključuje:

• Identifikacija DNA markera povezanih s genima otpornosti: Identifikacija DNA markera (npr. SNP-ovi, SSR-ovi) koji su usko povezani s ciljanim genom otpornosti ili QTL-om.
• Genotipizacija biljaka: Analiza DNA pojedinih biljaka radi određivanja koje alele (varijante) markera posjeduju.
• Odabir biljaka s povoljnim alelima markera: Odabir biljaka koje nose alele markera povezane s otpornošću za daljnje oplemenjivanje.

MAS je uspješno korištena u oplemenjivanju riže za unošenje gena otpornosti na bakterijsku palež i bolest rižine plamenjače, značajno ubrzavajući razvoj otpornih sorti. Na primjer, gen Xa21 za otpornost na bakterijsku palež kod riže može se učinkovito odabrati koristeći povezane DNA markere.

3. Genetsko inženjerstvo (transgeni pristupi)

Genetsko inženjerstvo uključuje izravan prijenos gena s jednog organizma na drugi, uključujući gene koji daju otpornost na bolesti. Ovaj pristup može se koristiti za unošenje gena otpornosti iz nepovezanih vrsta ili za modificiranje postojećih biljnih gena radi poboljšanja otpornosti. Koraci su:

• Identifikacija i izolacija gena otpornosti: Identifikacija i izolacija gena koji daju otpornost iz drugih biljaka, bakterija, pa čak i životinja.
• Unošenje gena u biljku usjeva: Unošenje gena u biljku usjeva koristeći vektor (npr. *Agrobacterium*) ili genetski pištolj.
• Odabir i provjera transgenih biljaka: Odabir biljaka koje su uspješno integrirale gen u svoj genom i provjera da je gen funkcionalan i da daje otpornost.

Bt pamuk, koji eksprimira gen iz bakterije *Bacillus thuringiensis* koji daje otpornost na određene štetnike kukaca, istaknut je primjer genetski modificiranog usjeva. Slično tome, genetski modificirana papaja otporna na virus prstenastih pjega papaje (PRSV) spasila je havajsku industriju papaje.

4. Uređivanje gena (CRISPR-Cas9)

Tehnologije uređivanja gena, kao što je CRISPR-Cas9, omogućuju precizne i ciljane modifikacije biljnih gena. To se može koristiti za isključivanje gena koji biljke čine osjetljivima na bolesti, za unošenje gena otpornosti ili za poboljšanje postojećih mehanizama otpornosti. Metoda obuhvaća:

• Dizajniranje vodećih RNA: Dizajniranje vodećih RNA koje ciljaju enzim Cas9 na specifične lokacije u biljnom genomu.
• Unošenje sustava CRISPR-Cas9 u biljku: Unošenje sustava CRISPR-Cas9 u biljku koristeći vektor ili drugu metodu isporuke.
• Odabir i provjera uređenih biljaka: Odabir biljaka koje su prošle željeni događaj uređivanja gena i provjera da uređenje daje otpornost.

CRISPR-Cas9 je korišten za razvoj sorti riže otpornih na bakterijsku palež uređivanjem gena *OsSWEET14*, koji patogen koristi za pristup hranjivim tvarima. Slično tome, korišten je za poboljšanje otpornosti na pepelnicu kod pšenice.

Izazovi u razvoju trajne otpornosti na bolesti

Iako je postignut značajan napredak u razvoju usjeva otpornih na bolesti, ostaje nekoliko izazova:

• Evolucija patogena: Patogeni se mogu brzo razvijati kako bi nadvladali gene otpornosti, posebno pojedinačne, glavne gene. Ovo je stalna utrka u naoružanju između oplemenjivača i patogena.
• Složenost otpornosti: Kvantitativnu otpornost često kontrolira više gena, što otežava njezinu identifikaciju i ugradnju u usjeve.
• Kompromisi s drugim osobinama: Uključivanje otpornosti na bolesti ponekad može doći na štetu drugih poželjnih osobina, kao što su prinos ili kvaliteta.
• Regulativne prepreke i percepcija javnosti: Genetski modificirani usjevi suočavaju se s regulativnim preprekama i brigama javnosti u nekim regijama, ograničavajući njihovo usvajanje.
• Klimatske promjene: Klimatske promjene mijenjaju distribuciju i virulenciju biljnih patogena, postavljajući nove izazove za upravljanje bolestima.

Strategije za prevladavanje izazova i postizanje trajne otpornosti

Kako bi prevladali ove izazove i razvili trajnu otpornost na bolesti, istraživači i oplemenjivači primjenjuju razne strategije:

1. Piramidizacija gena

Piramidizacija gena uključuje kombiniranje više gena otpornosti u jednu sortu. To otežava patogenima prevladavanje otpornosti jer bi morali istovremeno nadvladati više gena. Piramidizacija gena može se postići konvencionalnim oplemenjivanjem, selekcijom potpomognutom markerima ili genetskim inženjeringom.

2. Diversifikacija gena otpornosti

Primjena raznolikog raspona gena otpornosti u različitim sortama i regijama može smanjiti selekcijski pritisak na patogene i usporiti evoluciju virulencije. To se može postići rotacijom usjeva, mješavinama sorti i regionalnim strategijama primjene.

3. Razumijevanje biologije patogena

Dublje razumijevanje biologije patogena, uključujući njihove mehanizme infekcije, faktore virulencije i evolucijske strategije, ključno je za razvoj učinkovitih i trajnih strategija otpornosti. Ovo znanje može se koristiti za identificiranje novih gena otpornosti i za osmišljavanje novih strategija kontrole.

4. Integracija otpornosti s drugim mjerama kontrole

Integracija genetske otpornosti s drugim mjerama kontrole, kao što su kulturalne prakse, biološka kontrola i razumna uporaba pesticida, može pružiti robusniji i održiviji pristup upravljanju bolestima. Ovaj integrirani pristup zaštiti bilja (IPM) može smanjiti ovisnost o bilo kojoj pojedinačnoj mjeri kontrole i minimizirati rizik od razvoja otpornosti.

5. Primjena novih tehnologija

Nove tehnologije, kao što su sekvenciranje genoma, transkriptomika, proteomika i metabolomika, pružaju nove uvide u interakcije biljke i patogena te ubrzavaju otkrivanje gena otpornosti. Ove tehnologije također se mogu koristiti za praćenje populacija patogena i predviđanje pojave novih virulentnih sojeva.

Globalni primjeri uspješnog razvoja otpornosti na bolesti

• Otpornost riže na plamenjaču u Aziji: Opsežna istraživanja i napori u oplemenjivanju doveli su do razvoja sorti riže s trajnom otpornošću na bolest plamenjače, veliku prijetnju proizvodnji riže u Aziji.
• Otpornost pšenice na hrđu u Australiji: Australski oplemenjivači pšenice bili su vrlo uspješni u razvoju sorti pšenice s otpornošću na hrđu stabljike, lisnu hrđu i prugastu hrđu, osiguravajući stabilnu proizvodnju pšenice u regiji.
• Otpornost kasave na mozaik bolesti u Africi: Programi oplemenjivanja razvili su sorte kasave s otpornošću na mozaik bolesti kasave (CMD), virusnu bolest koja ozbiljno utječe na proizvodnju kasave u Africi, osnovnu hranu za milijune.
• Otpornost vinove loze na filokseru u Europi: Cijepljenje europskih vinovih loza na podloge američkih vrsta vinove loze, koje su otporne na lisnu uš filokseru koja se hrani korijenjem, spasilo je europsku vinarsku industriju krajem 19. stoljeća.
• Otpornost banane na panamsku bolest (TR4): Istraživanja su u tijeku kako bi se razvile sorte banana otporne na tropsku rasu 4 (TR4) panamske bolesti, gljivične bolesti koja se prenosi tlom i prijeti proizvodnji banana diljem svijeta. Napori uključuju konvencionalno oplemenjivanje, genetski inženjering i uređivanje gena.

Budućnost otpornosti na bolesti kod usjeva

Budućnost otpornosti na bolesti kod usjeva leži u višestranom pristupu koji kombinira najbolje od tradicionalnog oplemenjivanja, moderne biotehnologije i dubokog razumijevanja interakcija biljke i patogena. Ključna područja fokusa uključuju:

• Iskorištavanje snage genomike: Korištenje genomike za identificiranje i karakteriziranje novih gena otpornosti te za razumijevanje genetske osnove trajne otpornosti.
• Razvoj inovativnih strategija oplemenjivanja: Primjena naprednih tehnika oplemenjivanja, kao što su genomska selekcija i ubrzano oplemenjivanje, za ubrzavanje razvoja sorti otpornih na bolesti.
• Korištenje tehnologija uređivanja gena: Iskoristiti tehnologije uređivanja gena za precizno modificiranje biljnih gena i poboljšanje otpornosti na širi raspon patogena.
• Promicanje praksi održive poljoprivrede: Integracija otpornosti na bolesti s praksama održive poljoprivrede, kao što su rotacija usjeva, međuusjevi i konzervacijska obrada tla, kako bi se smanjio rizik od izbijanja bolesti i promicala dugoročna sigurnost hrane.
• Jačanje međunarodne suradnje: Poticanje međunarodne suradnje između istraživača, oplemenjivača i donositelja politika radi razmjene znanja, resursa i germplazme te rješavanja globalnog izazova biljnih bolesti.

Zaključak

Razvoj sorti usjeva otpornih na bolesti ključan je za osiguravanje globalne sigurnosti hrane i ublažavanje utjecaja biljnih patogena. Genetika usjeva igra ključnu ulogu u ovom pothvatu, pružajući alate i znanje za razumijevanje i manipulaciju interakcija biljke i patogena. Primjenom raznolikog raspona strategija, od konvencionalnog oplemenjivanja do uređivanja gena, te poticanjem međunarodne suradnje, možemo razviti trajnu otpornost na bolesti i zaštititi našu opskrbu hranom za buduće generacije.

Ulaganje u istraživanje i razvoj genetike usjeva ključan je korak prema izgradnji otpornijeg i održivijeg globalnog prehrambenog sustava. Osnažujući poljoprivrednike sortama usjeva otpornim na bolesti, možemo smanjiti gubitke prinosa, minimizirati upotrebu pesticida i osigurati stabilnu i hranjivu opskrbu hranom za sve.