Kultūraugu ģenētika: slimību izturības attīstīšana globālajai pārtikas nodrošinībai

Augu slimības rada nopietnu draudu globālajai pārtikas nodrošinībai. Patogēni, piemēram, sēnes, baktērijas, vīrusi un nematodes, var iznīcināt kultūraugus, radot ievērojamus ražas zudumus un ekonomiskas grūtības lauksaimniekiem visā pasaulē. Tāpēc slimību izturīgu kultūraugu šķirņu attīstīšana ir kritiski svarīga stratēģija stabilas un ilgtspējīgas pārtikas piegādes nodrošināšanai. Kultūraugu ģenētika šajā centienā ieņem centrālo vietu, nodrošinot rīkus un zināšanas, lai izprastu un manipulētu augu-patogēnu mijiedarbību.

Slimību izturības nozīme kultūraugiem

Augu slimību ietekme uz globālo lauksaimniecību ir dziļa. Apsveriet šādus faktorus:

Ražas zudumi: Augu slimības dažos reģionos var samazināt kultūraugu ražu līdz pat 40%, īpaši jaunattīstības valstīs.
Ekonomiskā ietekme: Kultūraugu zudumi gadā rada miljardiem dolāru ekonomiskos zaudējumus, ietekmējot lauksaimniekus, patērētājus un globālo ekonomiku.
Pārtikas nodrošinājums: Slimību uzliesmojumi var izraisīt pārtikas trūkumu, malnutrīciju un pat bada nāvi, īpaši neaizsargātās populācijās. Īru kartupeļu bada nāve 19. gadsimta vidū, ko izraisīja oomicēts *Phytophthora infestans*, joprojām ir spilgts atgādinājums par postošajām augu slimību sekām.
Vides ietekme: Ķīmisko pesticīdu lietošana augu slimību apkarošanai var nelabvēlīgi ietekmēt vidi, ieskaitot augsnes un ūdens piesārņojumu, kaitējumu noderīgiem kukaiņiem un pret pesticīdiem izturīgu patogēnu attīstību.

Slimību izturīgu kultūraugu šķirņu izstrāde piedāvā ilgtspējīgu un videi draudzīgu alternatīvu, nepaļaujoties tikai uz ķīmisko kontroli. Iekļaujot gēnu izturību kultūraugos, mēs varam samazināt nepieciešamību pēc pesticīdiem, samazināt ražas zudumus un uzlabot pārtikas nodrošinājumu.

Slimību izturības ģenētiskais pamats augos

Augiem ir izsmalcināta imūnsistēma, kas ļauj tiem atpazīt un aizstāvēties pret patogēniem. Šī imunitāte ir ģenētiski noteikta un ietver sarežģītu gēnu un signālu ceļu mijiedarbību. Ir divi galvenie izturības veidi:

1. Kvalitatīvā izturība (R-gēnu izturība)

Kvalitatīvo izturību, kas pazīstama arī kā R-gēnu izturība, nodrošina atsevišķi dominējošie gēni (R gēni), kas atpazīst specifiskus patogēnu efektorus (avirulences faktorus). Šī mijiedarbība izraisa ātru un spēcīgu aizsardzības reakciju, bieži vien iesaistot programmētu šūnu nāvi infekcijas vietā (hipersensitīvā reakcija, HR). R-gēnu izturība parasti ir ļoti efektīva, taču to var pārvarēt patogēni, kas attīsta jaunus efektoru variantus. Piemēram, daudzas kviešu šķirnes ir izstrādātas ar R gēniem, kas nodrošina izturību pret specifiskām kviešu rūsas sēnītes *Puccinia graminis f. sp. tritici* rasēm. Tomēr jaunu, virulento rasu, piemēram, Ug99, parādīšanās ir uzsvērusi atkarības no atsevišķiem R gēniem ierobežojumus.

2. Kvantitatīvā izturība (daļēja izturība)

Kvantitatīvo izturību, kas pazīstama arī kā daļēja izturība vai lauka izturība, kontrolē vairāki gēni (QTL – Kvantitatīvo iezīmju lokusi), kas aditīvi veicina zemāku izturības līmeni. Atšķirībā no R-gēnu izturības, kvantitatīvā izturība parasti ir efektīva pret plašāku patogēnu klāstu un ir izturīgāka, kas nozīmē, ka patogēnu evolūcija to mazāk visticamāk pārvarēs. Tomēr kvantitatīvā izturība bieži vien ir grūtāk identificējama un integrējama kultūraugos tās sarežģītās ģenētiskās arhitektūras dēļ. Viens piemērs ir izturība pret plaukstošo slimību rīsos, ko kontrolē vairāki QTL, nodrošinot plaša spektra un ilgstošu aizsardzību.

Stratēģijas slimību izturīgu kultūraugu izstrādei

Lai izstrādātu slimību izturīgas kultūraugu šķirnes, tiek izmantotas vairākas stratēģijas, katrai ar savām priekšrocībām un ierobežojumiem:

1. Konvencionālā augu selekcija

Konvencionālā augu selekcija ietver augu atlasi un krustošanu ar vēlamām īpašībām, ieskaitot slimību izturību. Šis process var būt laikietilpīgs un darbietilpīgs, taču tas ir bijis ļoti veiksmīgs, izstrādājot daudzas slimību izturīgas kultūraugu šķirnes. Process parasti ietver:

Izturības avotu identificēšana: esošā ģermoplasmā (augu ģenētisko resursu kolekcijās) pārbaude, lai identificētu augus ar izturību pret specifiskām slimībām. Savvaļas radinieki bieži ir vērtīgs izturības gēnu avots.
Izturīgu augu krustošana ar elites šķirnēm: izturīgu augu krustošana ar augstražīgām vai citādi vēlamām šķirnēm, lai apvienotu izturību ar citām svarīgām īpašībām.
Izturības atlase: pēcnācēju (pēcnācēju) novērtēšana attiecībā uz izturību pret mērķa slimību un visizturīgāko augu atlase turpmākai selekcijai.
Atpakaļkrustošana: izturīgo pēcnācēju atkārtota krustošana ar elites šķirni, lai atgūtu elites šķirnes vēlamās īpašības, vienlaikus saglabājot izturību.

Viens piemērs ir izturīgu kartupeļu šķirņu pret krapi izstrāde, izmantojot tradicionālo selekciju, izmantojot gēnus no savvaļas kartupeļu sugām, kas parāda dabisku izturību pret *Phytophthora infestans*.

2. Ar marķieriem palīdzētā selekcija (MAS)

Ar marķieriem palīdzētā selekcija (MAS) izmanto DNS marķierus, kas ir saistīti ar slimību izturību kontrolējošiem gēniem, lai selekcijas laikā atlasītu izturīgus augus. Tas var paātrināt selekcijas procesu un uzlabot atlases efektivitāti, jo īpaši attiecībā uz īpašībām, kuras ir grūti vai dārgi novērtēt tieši. Procedūra ietver:

Ar izturības gēniem saistītu DNS marķieru identificēšana: DNS marķieru (piemēram, SNP, SSR) identificēšana, kas ir cieši saistīti ar mērķa izturības gēnu vai QTL.
Augu genotipēšana: atsevišķu augu DNS analīze, lai noteiktu, kādas aleles (variantus) attiecībā uz marķieri tie nes.
Augu atlase ar labvēlīgiem marķieru aleliem: augu atlase, kas nes marķieru aleles, kas saistītas ar izturību, turpmākai selekcijai.

MAS ir veiksmīgi izmantota rīsu selekcijā, lai introģētu izturības gēnus pret bakteriālo plaukstošo slimību un plaukstošo slimību, ievērojami paātrinot izturīgu šķirņu izstrādi. Piemēram, Xa21 gēnu pret bakteriālo plaukstošo slimību izturību rīsos var efektīvi atlasīt, izmantojot saistītus DNS marķierus.

3. Gēnu inženierija (transgēnas pieejas)

Gēnu inženierija ietver gēnu tiešu nodošanu no viena organisma uz otru, ieskaitot gēnus, kas nodrošina slimību izturību. Šī pieeja var tikt izmantota, lai ieviestu izturības gēnus no nesaistītām sugām vai modificētu esošos augu gēnus, lai uzlabotu izturību. Soļi ir šādi:

Izturības gēnu identificēšana un izolēšana: izturību nodrošinošu gēnu identificēšana un izolēšana no citiem augiem, baktērijām vai pat dzīvniekiem.
Gēna ieviešana kultūraugu augā: Gēna ieviešana kultūraugu augā, izmantojot vektoru (piemēram, *Agrobacterium*) vai gēnu lielgabalu.
Transgēno augu atlase un pārbaude: Augu atlase, kas veiksmīgi integrējuši gēnu savā genomā, un pārbaude, ka gēns ir funkcionāls un nodrošina izturību.

Bt kokvilna, kas ekspresē gēnu no baktērijas *Bacillus thuringiensis*, kas nodrošina izturību pret noteiktiem kukaiņu kaitēkļiem, ir ievērojams ģenētiski modificēta kultūrauga piemērs. Tāpat ģenētiski modificēta papaija, kas ir izturīga pret papaijas gredzenplankumu vīrusu (PRSV), ir izglābusi Havaju papaijas industriju.

4. Gēnu rediģēšana (CRISPR-Cas9)

Gēnu rediģēšanas tehnoloģijas, piemēram, CRISPR-Cas9, ļauj precīzi un mērķtiecīgi modificēt augu gēnus. To var izmantot, lai izslēgtu gēnus, kas padara augus uzņēmīgus pret slimībām, ieviestu izturības gēnus vai uzlabotu esošos izturības mehānismus. Metode sastāv no:

Ceļvežu RNS izstrāde: Ceļvežu RNS izstrāde, kas mērķē Cas9 enzīmu uz noteiktām vietām augu genomā.
CRISPR-Cas9 sistēmas ieviešana augā: CRISPR-Cas9 sistēmas ieviešana augā, izmantojot vektoru vai citu piegādes metodi.
Rediģēto augu atlase un pārbaude: Augu atlase, kuros ir veikts vēlamais gēnu rediģēšanas pasākums, un pārbaude, ka rediģēšana nodrošina izturību.

CRISPR-Cas9 ir izmantots, lai izstrādātu rīsu šķirnes, kas ir izturīgas pret bakteriālo plaukstošo slimību, rediģējot *OsSWEET14* gēnu, ko patogēns izmanto, lai piekļūtu barības vielām. Tāpat tas ir izmantots, lai uzlabotu kviešu izturību pret miltrasu.

Izaicinājumi izturīgas slimību izturības attīstīšanā

Neskatoties uz ievērojamo progresu slimību izturīgu kultūraugu izstrādē, joprojām pastāv vairāki izaicinājumi:

Patogēnu evolūcija: Patogēni var strauji attīstīties, lai pārvarētu izturības gēnus, īpaši atsevišķus, galvenos gēnus. Tās ir pastāvīgas sacensības starp selekcionāriem un patogēniem.
Izturības sarežģītība: Kvantitatīvo izturību bieži kontrolē vairāki gēni, padarot to grūti identificējamu un integrējamu kultūraugos.
Kompromisi ar citām īpašībām: Izturības pret slimībām integrēšana dažkārt var notikt uz citu vēlamo īpašību, piemēram, ražas vai kvalitātes, rēķina.
Regulatori šķēršļi un sabiedrības uztvere: Ģenētiski modificēti kultūraugi saskaras ar regulatoriem šķēršļiem un sabiedrības bažām dažos reģionos, ierobežojot to pieņemšanu.
Klimata pārmaiņas: Klimata pārmaiņas maina augu patogēnu izplatību un virulenci, radot jaunus izaicinājumus slimību apkarošanā.

Stratēģijas, kā pārvarēt izaicinājumus un panākt izturīgu izturību

Lai pārvarētu šos izaicinājumus un attīstītu izturīgu slimību izturību, pētnieki un selekcionāri izmanto dažādas stratēģijas:

1. Gēnu piramidēšana

Gēnu piramidēšana ietver vairāku izturības gēnu apvienošanu vienā šķirnē. Tas apgrūtinošāk patogēniem pārvarēt izturību, jo tiem būtu vienlaicīgi jāpārvar vairāki gēni. Gēnu piramidēšanu var panākt, izmantojot konvencionālo selekciju, ar marķieriem palīdzētu selekciju vai gēnu inženieriju.

2. Izturības gēnu dažādošana

Dažādu izturības gēnu izmantošana dažādās šķirnēs un reģionos var samazināt selekcijas spiedienu uz patogēniem un palēnināt virulences evolūciju. To var panākt, izmantojot augu rotāciju, šķirņu maisījumus un reģionālās izvietošanas stratēģijas.

3. Patogēnu bioloģijas izpratne

Padziļināta patogēnu bioloģijas izpratne, ieskaitot to infekcijas mehānismus, virulences faktorus un evolūcijas stratēģijas, ir būtiska efektīvu un izturīgu izturības stratēģiju izstrādei. Šīs zināšanas var izmantot, lai identificētu jaunus izturības gēnus un izstrādātu jaunas kontroles stratēģijas.

4. Izturības integrēšana ar citiem kontroles pasākumiem

Izturības pret slimībām integrēšana ar citiem kontroles pasākumiem, piemēram, agrotehniskajām metodēm, bioloģisko kontroli un racionālu pesticīdu lietošanu, var nodrošināt spēcīgāku un ilgtspējīgāku pieeju slimību apkarošanai. Šī integrētās kaitēkļu pārvaldības (IPM) pieeja var samazināt atkarību no viena kontroles pasākuma un samazināt rezistences attīstības risku.

5. Jaunu tehnoloģiju izmantošana

Jaunas tehnoloģijas, piemēram, genoma sekvenēšana, transkriptomika, proteomika un metabolomika, sniedz jaunas atziņas par augu-patogēnu mijiedarbību un paātrina izturības gēnu atklāšanu. Šīs tehnoloģijas var izmantot arī patogēnu populāciju uzraudzībai un jaunu virulento celmu parādīšanās prognozēšanai.

Globāli piemēri veiksmīgai izturības pret slimībām attīstībai

Vairāki veiksmīgi piemēri demonstrē kultūraugu ģenētikas spēku slimību izturīgu kultūraugu izstrādē:

Rīsu plaukstošās slimības izturība Āzijā: plaši pētījumi un selekcijas centieni ir noveduši pie rīsu šķirņu izstrādes ar izturīgu izturību pret plaukstošo slimību, kas ir galvenais drauds rīsu ražošanai Āzijā.
Kviešu rūsas izturība Austrālijā: Austrālijas kviešu selekcionāri ir ļoti veiksmīgi izstrādājuši kviešu šķirnes, kas ir izturīgas pret stublāju rūsām, lapu rūsām un svītru rūsām, nodrošinot stabilu kviešu ražošanu reģionā.
Kasavas mozaīkas slimības izturība Āfrikā: selekcijas programmas ir izstrādājušas kasavas šķirnes, kas ir izturīgas pret kasavas mozaīkas slimību (CMD), vīrusu slimību, kas nopietni ietekmē kasavas ražošanu Āfrikā, kas ir miljoniem cilvēku galvenais pārtikas produkts.
Vīnkoku izturība pret filokseru Eiropā: Eiropas vīnkoku potēšana uz amerikāņu vīnkoku sugu potcelmiem, kas ir izturīgi pret saknes izēdošo laputu filokseru, 19. gadsimta beigās izglāba Eiropas vīna industriju.
Banānu izturība pret Panamas slimību (TR4): notiek pētījumi, lai izstrādātu banānu šķirnes, kas ir izturīgas pret Panamas slimības tropisko rasu 4 (TR4), augsnē sastopamu sēnīšu slimību, kas apdraud banānu ražošanu visā pasaulē. Darbā ietilpst konvencionālā selekcija, gēnu inženierija un gēnu rediģēšana.

Kultūraugu izturības pret slimībām nākotne

Kultūraugu izturības pret slimībām nākotne slēpjas daudzpusīgā pieejā, kas apvieno labāko no tradicionālās selekcijas, modernās biotehnoloģijas un padziļinātu izpratni par augu-patogēnu mijiedarbību. Galvenās fokusa jomas ietver:

Genomikas spēka izmantošana: Genomikas izmantošana, lai identificētu un raksturotu jaunus izturības gēnus un izprastu izturīgas izturības ģenētisko pamatu.
Inovatīvu selekcijas stratēģiju izstrāde: Progresīvu selekcijas metožu, piemēram, genomiskās atlases un ātrās selekcijas, izmantošana, lai paātrinātu slimību izturīgu šķirņu izstrādi.
Gēnu rediģēšanas tehnoloģiju izmantošana: Gēnu rediģēšanas tehnoloģiju izmantošana, lai precīzi modificētu augu gēnus un uzlabotu izturību pret plašāku patogēnu klāstu.
Ilgtspējīgas lauksaimniecības prakses veicināšana: Izturības pret slimībām integrēšana ar ilgtspējīgas lauksaimniecības praksi, piemēram, augu maiņu, starpkultūrām un konservējošo apstrādi, lai samazinātu slimību uzliesmojumu risku un veicinātu ilgtermiņa pārtikas drošību.
Starptautiskās sadarbības stiprināšana: Starptautiskās sadarbības veicināšana starp pētniekiem, selekcionāriem un politikas veidotājiem, lai dalītos zināšanās, resursos un ģermoplasmā, kā arī lai risinātu globālo augu slimību problēmu.

Nobeigums

Slimību izturīgu kultūraugu šķirņu izstrāde ir būtiska globālās pārtikas nodrošinājuma nodrošināšanai un augu patogēnu ietekmes mazināšanai. Kultūraugu ģenētika šajā centienā ieņem ļoti svarīgu vietu, nodrošinot rīkus un zināšanas, lai izprastu un manipulētu augu-patogēnu mijiedarbību. Izmantojot dažādas stratēģijas, sākot no konvencionālās selekcijas līdz gēnu rediģēšanai, un veicinot starptautisku sadarbību, mēs varam attīstīt izturīgu slimību izturību un pasargāt savu pārtikas piegādi nākamajām paaudzēm.

Investīcijas kultūraugu ģenētikas pētniecībā un attīstībā ir kritisks solis ceļā uz izturīgākas un ilgtspējīgākas globālās pārtikas sistēmas izveidi. Sniegti lauksaimniekiem ar slimību izturīgām kultūraugu šķirnēm, mēs varam samazināt ražas zudumus, minimizēt pesticīdu lietošanu un nodrošināt stabilu un barojošu pārtikas piegādi visiem.