Augalų genetika: atsparumo ligoms ugdymas pasaulio aprūpinimo maistu saugumui užtikrinti

Augalų ligos kelia didelę grėsmę pasaulio aprūpinimo maistu saugumui. Patogenai, tokie kaip grybai, bakterijos, virusai ir nematodai, gali sunaikinti pasėlius, sukeldami didelius derliaus nuostolius ir ekonominius sunkumus ūkininkams visame pasaulyje. Todėl atsparių ligoms augalų veislių kūrimas yra esminė strategija, siekiant užtikrinti stabilų ir tvarų maisto tiekimą. Augalų genetika atlieka pagrindinį vaidmenį šiame procese, suteikdama priemones ir žinias, leidžiančias suprasti ir manipuliuoti augalų ir patogenų sąveika.

Atsparumo ligoms svarba augalams

Augalų ligų poveikis pasaulio žemės ūkiui yra didžiulis. Apsvarstykite šiuos dalykus:

• Derliaus nuostoliai: Augalų ligos kai kuriuose regionuose, ypač besivystančiose šalyse, gali sumažinti pasėlių derlių iki 40 %.
• Ekonominis poveikis: Pasėlių nuostoliai kasmet sudaro milijardus dolerių ekonominių nuostolių, paveikiančių ūkininkus, vartotojus ir pasaulio ekonomiką.
• Maisto saugumas: Ligų protrūkiai gali sukelti maisto trūkumą, prastą mitybą ir net badą, ypač pažeidžiamose populiacijose. Airijos bulvių badas XIX amžiaus viduryje, kurį sukėlė oomicetas *Phytophthora infestans*, išlieka ryškiu augalų ligų niokojančių pasekmių priminimu.
• Poveikis aplinkai: Cheminių pesticidų naudojimas augalų ligoms kontroliuoti gali turėti žalingą poveikį aplinkai, įskaitant dirvožemio ir vandens užteršimą, žalą naudingiems vabzdžiams ir pesticidams atsparių patogenų atsiradimą.

Atsparių ligoms augalų veislių kūrimas yra tvarus ir aplinkai nekenksmingas pasirinkimas, o ne vien tik cheminių priemonių naudojimas. Integravę genetinį atsparumą į pasėlius, galime sumažinti pesticidų poreikį, sumažinti derliaus nuostolius ir padidinti maisto saugumą.

Genetinis augalų atsparumo ligoms pagrindas

Augalai turi sudėtingą imuninę sistemą, kuri leidžia jiems atpažinti patogenus ir nuo jų gintis. Šis imunitetas yra genetiškai nulemtas ir apima sudėtingą genų ir signalizacijos takų sąveiką. Yra du pagrindiniai atsparumo tipai:

1. Kokybinis atsparumas (R-geno atsparumas)

Kokybinį atsparumą, dar žinomą kaip R-geno atsparumą, suteikia vieni dominantiniai genai (R genai), kurie atpažįsta specifinius patogeno efektorius (avirulentiškumo faktorius). Ši sąveika sukelia greitą ir tvirtą gynybos reakciją, dažnai apimančią programuotą ląstelių mirtį infekcijos vietoje (padidinto jautrumo reakcija, HR). R-geno atsparumas paprastai yra labai efektyvus, tačiau patogenai, evoliucionuodami naujus efektorių variantus, gali jį įveikti. Pavyzdžiui, daugelis kviečių veislių buvo sukurtos su R genais, suteikiančiais atsparumą specifinėms kviečių rūdžių grybo *Puccinia graminis f. sp. tritici* rasėms. Tačiau naujų, virulentiškų rasių, tokių kaip Ug99, atsiradimas pabrėžė vien tik R genų naudojimo apribojimus.

2. Kiekybinis atsparumas (dalinis atsparumas)

Kiekybinis atsparumas, dar žinomas kaip dalinis atsparumas arba lauko atsparumas, yra valdomas daugelio genų (KTL – kiekybinių savybių lokusų), kurie adityviai prisideda prie žemesnio atsparumo lygio. Skirtingai nuo R-geno atsparumo, kiekybinis atsparumas paprastai yra efektyvus prieš platesnį patogenų spektrą ir yra patvaresnis, tai reiškia, kad mažiau tikėtina, jog patogenų evoliucija jį įveiks. Tačiau kiekybinį atsparumą dažnai sunkiau nustatyti ir įdiegti į pasėlius dėl jo sudėtingos genetinės architektūros. Pavyzdys yra ilgalaikis ryžių pūslėlinės ligos atsparumas, valdomas daugelio KTL, kuris užtikrina plataus spektro ir ilgalaikę apsaugą.

Strategijos, skirtos atsparių ligoms pasėlių kūrimui

Siekiant sukurti ligoms atsparias pasėlių veisles, naudojamos kelios strategijos, kurių kiekviena turi savo privalumų ir trūkumų:

1. Tradicinė augalų selekcija

Tradicinė augalų selekcija apima augalų su pageidaujamomis savybėmis, įskaitant atsparumą ligoms, atrinkimą ir kryžminimą. Šis procesas gali užtrukti daug laiko ir reikalauti daug darbo, tačiau jis buvo labai sėkmingas kuriant daugelį ligoms atsparių pasėlių veislių. Procesas paprastai apima:

• Atsparumo šaltinių nustatymas: Esamų genetinės medžiagos (augalų genetinių išteklių kolekcijų) patikra siekiant nustatyti augalus, atsparius specifinėms ligoms. Laukiniai pasėlių giminaičiai dažnai yra vertingas atsparumo genų šaltinis.
• Atsparių augalų kryžminimas su elitinėmis veislėmis: Atsparių augalų kryžminimas su didelio derlingumo ar kitomis pageidaujamomis veislėmis, siekiant sujungti atsparumą su kitomis svarbiomis savybėmis.
• Atsparumo atrinkimas: Palikuonių (atsakų) vertinimas dėl atsparumo tikslinei ligai ir atspariausių augalų atrinkimas tolimesniam selekcijai.
• Atgalinis kryžminimas: Pakartotinis atsparių palikuonių kryžminimas su elitine veisle, siekiant atkurti elitinės veislės pageidaujamas savybes, išlaikant atsparumą.

Pavyzdys yra atsparių bulvių marui veislių kūrimas tradiciniais selekcijos metodais, naudojant genus iš laukinių bulvių rūšių, kurios pasižymi natūraliu atsparumu *Phytophthora infestans*.

2. Žymekliais pagrįsta selekcija (ŽPS)

Žymekliais pagrįsta selekcija (ŽPS) naudoja DNR žymeklius, susijusius su ligų atsparumą kontroliuojančiais genais, kad selekcijos metu būtų atrinkti atsparūs augalai. Tai gali pagreitinti selekcijos procesą ir pagerinti atrankos efektyvumą, ypač savybėms, kurias sunku ar brangu įvertinti tiesiogiai. Procedūra apima:

• DNR žymeklių, susijusių su atsparumo genais, nustatymas: DNR žymeklių (pvz., SNP, SSR) nustatymas, kurie yra glaudžiai susiję su tiksliniu atsparumo genu arba KTL.
• Augalų genotipavimas: Individualių augalų DNR analizė, siekiant nustatyti, kokius žymeklio alelius (variantus) jie turi.
• Augalų su palankiais žymeklio aleliais atrinkimas: Augalų, turinčių su atsparumu susijusius žymeklio alelius, atrinkimas tolimesniam selekcijai.

ŽPS sėkmingai naudojama ryžių selekcijoje, siekiant introgesuoti atsparumo genus bakterinei pūslėlinei ir sprogimo ligai, žymiai pagreitinant atsparių veislių kūrimą. Pavyzdžiui, Xa21 genas, skirtas ryžių bakterijų pūslėlinei ligai atsparumui, gali būti efektyviai atrinktas naudojant susijusius DNR žymeklius.

3. Genų inžinerija (transgeniniai metodai)

Genų inžinerija apima tiesioginį genų perkėlimą iš vieno organizmo į kitą, įskaitant genus, kurie suteikia atsparumą ligoms. Šis metodas gali būti naudojamas atsparumo genams iš nesusijusių rūšių įvesti arba esamiems augalų genams modifikuoti, siekiant padidinti atsparumą. Žingsniai yra šie:

• Atsparumo genų identifikavimas ir izoliavimas: Genų, suteikiančių atsparumą, identifikavimas ir izoliavimas iš kitų augalų, bakterijų ar net gyvūnų.
• Geno įvedimas į pasėlio augalą: Geno įvedimas į pasėlio augalą naudojant vektorių (pvz., *Agrobacterium*) arba genų pistoletą.
• Transgeninių augalų atrinkimas ir patvirtinimas: Augalų, sėkmingai integravusių geną į savo genomą, atrinkimas ir patvirtinimas, kad genas yra funkcionalus ir suteikia atsparumą.

Bt medvilnė, kuri ekspresuoja geną iš bakterijos *Bacillus thuringiensis*, suteikiančios atsparumą tam tikriems vabzdžių kenkėjams, yra ryškus genetiškai modifikuoto pasėlio pavyzdys. Panašiai, genetiškai modifikuota papaja, atspari papajos žiedinių dėmių virusui (PRSV), išgelbėjo Havajų papajų pramonę.

4. Genų redagavimas (CRISPR-Cas9)

Genų redagavimo technologijos, tokios kaip CRISPR-Cas9, leidžia tiksliai ir kryptingai modifikuoti augalų genus. Tai gali būti naudojama siekiant išjungti genus, dėl kurių augalai yra jautrūs ligoms, įvesti atsparumo genus arba sustiprinti esamus atsparumo mechanizmus. Metodas apima:

• Gido RNR kūrimas: Gido RNR kūrimas, kurios nukreipia Cas9 fermentą į konkrečias augalo genomo vietas.
• CRISPR-Cas9 sistemos įvedimas į augalą: CRISPR-Cas9 sistemos įvedimas į augalą naudojant vektorių ar kitą pristatymo metodą.
• Redaguotų augalų atrinkimas ir patvirtinimas: Augalų, kuriems įvyko pageidaujamas genų redagavimo įvykis, atrinkimas ir patvirtinimas, kad redagavimas suteikia atsparumą.

CRISPR-Cas9 buvo naudojamas kuriant ryžių veisles, atsparias bakterinei pūslėlinei ligai, redaguojant *OsSWEET14* geną, kurį patogenas naudoja maistinėms medžiagoms gauti. Panašiai, jis buvo naudojamas siekiant padidinti atsparumą miltligei kviečiuose.

Iššūkiai kuriant ilgalaikį atsparumą ligoms

Nors kuriant atsparias ligoms pasėlių veisles pasiekta didelė pažanga, išlieka keli iššūkiai:

• Patogenų evoliucija: Patogenai gali greitai evoliucionuoti, kad įveiktų atsparumo genus, ypač vieną, pagrindinį geną. Tai nuolatinės ginklavimosi varžybos tarp selekcininkų ir patogenų.
• Atsparumo sudėtingumas: Kiekybinį atsparumą dažnai kontroliuoja daugybė genų, todėl sunku jį nustatyti ir įdiegti į pasėlius.
• Kompromisai su kitomis savybėmis: Atsparumo ligoms integravimas kartais gali būti kitų pageidaujamų savybių, tokių kaip derlius ar kokybė, sąskaita.
• Reguliavimo kliūtys ir visuomenės nuomonė: Genetiškai modifikuoti pasėliai kai kuriuose regionuose susiduria su reguliavimo kliūtimis ir visuomenės susirūpinimu, o tai riboja jų įsisavinimą.
• Klimato kaita: Klimato kaita keičia augalų patogenų pasiskirstymą ir virulentiškumą, sukeldama naujų iššūkių ligų valdymui.

Strategijos iššūkiams įveikti ir ilgalaikiam atsparumui pasiekti

Norėdami įveikti šiuos iššūkius ir sukurti ilgalaikį atsparumą ligoms, mokslininkai ir selekcininkai naudoja įvairias strategijas:

1. Genų piramidavimas

Genų piramidavimas apima kelių atsparumo genų sujungimą į vieną veislę. Tai apsunkina patogenų atsparumo įveikimą, nes jiems reikėtų vienu metu įveikti kelis genus. Genų piramidavimas gali būti pasiektas tradicinės selekcijos, žymekliais pagrįstos selekcijos arba genų inžinerijos būdu.

2. Atsparumo genų įvairinimas

Įvairių atsparumo genų naudojimas skirtingose veislėse ir regionuose gali sumažinti atrankos spaudimą patogenams ir sulėtinti virulentiškumo evoliuciją. Tai galima pasiekti sėjomainos, veislių mišinių ir regioninių dislokavimo strategijų būdu.

3. Patogenų biologijos supratimas

Gilesnis patogenų biologijos supratimas, įskaitant jų infekcijos mechanizmus, virulentiškumo faktorius ir evoliucines strategijas, yra gyvybiškai svarbus kuriant efektyvias ir ilgalaikes atsparumo strategijas. Šios žinios gali būti naudojamos naujiems atsparumo genams nustatyti ir naujoms kontrolės strategijoms kurti.

4. Atsparumo integravimas su kitomis kontrolės priemonėmis

Genetinio atsparumo integravimas su kitomis kontrolės priemonėmis, tokiomis kaip agrotechninės priemonės, biologinė kontrolė ir protingas pesticidų naudojimas, gali suteikti tvirtesnį ir tvaresnį požiūrį į ligų valdymą. Šis integruoto kenkėjų valdymo (IKP) metodas gali sumažinti priklausomybę nuo bet kurios vienos kontrolės priemonės ir sumažinti atsparumo atsiradimo riziką.

5. Naujų technologijų naudojimas

Atsirandančios technologijos, tokios kaip genomo sekvenavimas, transkriptomika, proteomika ir metabolomika, suteikia naujų įžvalgų apie augalų ir patogenų sąveiką ir pagreitina atsparumo genų atradimą. Šios technologijos taip pat gali būti naudojamos patogenų populiacijoms stebėti ir naujų virulentiškų padermių atsiradimui prognozuoti.

Pasauliniai sėkmingo atsparumo ligoms kūrimo pavyzdžiai

Keli sėkmingi pavyzdžiai demonstruoja augalų genetikos galią kuriant atsparius ligoms pasėlius:

• Ryžių pūslėlinės ligos atsparumas Azijoje: Išsamūs tyrimai ir selekcijos pastangos lėmė ryžių veislių, pasižyminčių ilgalaikiu atsparumu pūslėlinei ligai, kūrimą, kuri kelia didelę grėsmę ryžių gamybai Azijoje.
• Kviečių rūdžių atsparumas Australijoje: Australijos kviečių selekcininkai labai sėkmingai sukūrė kviečių veisles, atsparias stiebų rūdims, lapų rūdims ir dryžinėms rūdims, užtikrinant stabilią kviečių gamybą regione.
• Manijokų mozaikos ligos atsparumas Afrikoje: Selekcijos programos sukūrė manijokų veisles, atsparias manijokų mozaikos ligai (CMD), virusinei ligai, kuri stipriai paveikia manijokų gamybą Afrikoje – pagrindinį maistą milijonams.
• Vynmedžių atsparumas filokserai Europoje: Europos vynmedžių skiepijimas ant amerikietiškų vynuogių rūšių poskiepių, atsparių šaknis graužiančiai filokserai, išgelbėjo Europos vyno pramonę XIX amžiaus pabaigoje.
• Bananų atsparumas Panamos ligai (TR4): Vykdomi tyrimai, siekiant sukurti bananų veisles, atsparias Panamos ligos tropinei rasei 4 (TR4), dirvožemio grybelinei ligai, kuri kelia grėsmę bananų gamybai visame pasaulyje. Pastangos apima tradicinę selekciją, genų inžineriją ir genų redagavimą.

Atsparumo ligoms ateitis augaluose

Atsparumo ligoms ateitis augaluose slypi daugialypiame požiūryje, kuris apjungia geriausius tradicinės selekcijos, šiuolaikinės biotechnologijos ir gilų augalų bei patogenų sąveikos supratimą. Pagrindinės dėmesio sritys yra šios:

• Genomikos galios panaudojimas: Genomikos naudojimas naujiems atsparumo genams nustatyti ir apibūdinti bei ilgalaikio atsparumo genetiniam pagrindui suprasti.
• Inovatyvių selekcijos strategijų kūrimas: Pažangių selekcijos metodų, tokių kaip genominė selekcija ir spartus veisimas, naudojimas siekiant pagreitinti atsparių ligoms veislių kūrimą.
• Genų redagavimo technologijų naudojimas: Genų redagavimo technologijų panaudojimas tiksliam augalų genų modifikavimui ir atsparumo platesniam patogenų spektrui didinimui.
• Tvarios žemės ūkio praktikos skatinimas: Atsparumo ligoms integravimas su tvarios žemės ūkio praktika, tokia kaip sėjomaina, tarpukultūriniai pasėliai ir konservuojamasis žemės dirbimas, siekiant sumažinti ligų protrūkių riziką ir skatinti ilgalaikį maisto saugumą.
• Tarptautinio bendradarbiavimo stiprinimas: Tarptautinio bendradarbiavimo tarp mokslininkų, selekcininkų ir politikų skatinimas dalijantis žiniomis, ištekliais ir genetine medžiaga bei sprendžiant pasaulinį augalų ligų iššūkį.

Išvada

Atsparių ligoms augalų veislių kūrimas yra būtinas norint užtikrinti pasaulinį aprūpinimo maistu saugumą ir sumažinti augalų patogenų poveikį. Augalų genetika atlieka lemiamą vaidmenį šiame procese, suteikdama priemones ir žinias, leidžiančias suprasti ir manipuliuoti augalų ir patogenų sąveika. Naudodami įvairias strategijas, nuo tradicinės selekcijos iki genų redagavimo, ir skatindami tarptautinį bendradarbiavimą, galime sukurti ilgalaikį atsparumą ligoms ir apsaugoti mūsų maisto tiekimą ateities kartoms.

Investavimas į augalų genetikos tyrimus ir plėtrą yra esminis žingsnis kuriant atsparesnę ir tvaresnę pasaulinę maisto sistemą. Suteikdami ūkininkams atsparių ligoms augalų veislių, galime sumažinti derliaus nuostolius, sumažinti pesticidų naudojimą ir užtikrinti stabilų bei maistingą maisto tiekimą visiems.