Генетика сельскохозяйственных культур: Развитие устойчивости к болезням для глобальной продовольственной безопасности

Болезни растений представляют собой серьезную угрозу для глобальной продовольственной безопасности. Патогены, такие как грибки, бактерии, вирусы и нематоды, могут уничтожать урожай, приводя к значительным потерям урожая и экономическим трудностям для фермеров во всем мире. Поэтому разработка устойчивых к болезням сортов сельскохозяйственных культур является критической стратегией для обеспечения стабильного и устойчивого продовольственного снабжения. Генетика сельскохозяйственных культур играет центральную роль в этом начинании, предоставляя инструменты и знания для понимания и манипулирования взаимодействием растений и патогенов.

Важность устойчивости к болезням в сельскохозяйственных культурах

Влияние болезней растений на мировое сельское хозяйство огромно. Рассмотрим следующее:

Потери урожая: Болезни растений могут снизить урожайность на 40% в некоторых регионах, особенно в развивающихся странах.
Экономическое воздействие: Потери урожая приводят к экономическим потерям на миллиарды долларов ежегодно, затрагивая фермеров, потребителей и мировую экономику.
Продовольственная безопасность: Вспышки болезней могут привести к нехватке продовольствия, недоеданию и даже голоду, особенно среди уязвимых слоев населения. Ирландский картофельный голод середины 19-го века, вызванный оомицетом *Phytophthora infestans*, остается суровым напоминанием о разрушительных последствиях болезней растений.
Воздействие на окружающую среду: Использование химических пестицидов для борьбы с болезнями растений может иметь пагубные последствия для окружающей среды, включая загрязнение почвы и воды, вред для полезных насекомых и развитие устойчивых к пестицидам патогенов.

Разработка устойчивых к болезням сортов сельскохозяйственных культур предлагает устойчивую и экологически чистую альтернативу опоре исключительно на химический контроль. Включив генетическую устойчивость в сельскохозяйственные культуры, мы можем снизить потребность в пестицидах, минимизировать потери урожая и повысить продовольственную безопасность.

Генетическая основа устойчивости к болезням у растений

Растения обладают сложной иммунной системой, которая позволяет им распознавать и защищаться от патогенов. Этот иммунитет генетически детерминирован и включает в себя сложное взаимодействие генов и сигнальных путей. Существуют два основных типа устойчивости:

1. Качественная устойчивость (устойчивость R-гена)

Качественная устойчивость, также известная как устойчивость R-гена, обеспечивается отдельными доминантными генами (R-генами), которые распознают специфические эффекторы патогенов (факторы авирулентности). Это взаимодействие вызывает быструю и надежную защитную реакцию, часто включающую запрограммированную гибель клеток в месте заражения (гиперчувствительная реакция, HR). Устойчивость R-генов, как правило, очень эффективна, но может быть преодолена патогенами, которые развивают новые варианты эффекторов. Например, многие сорта пшеницы были разработаны с R-генами, обеспечивающими устойчивость к определенным расам грибка ржавчины пшеницы *Puccinia graminis f. sp. tritici*. Однако появление новых вирулентных рас, таких как Ug99, подчеркнуло ограничения, связанные с опорой исключительно на отдельные R-гены.

2. Количественная устойчивость (частичная устойчивость)

Количественная устойчивость, также известная как частичная устойчивость или полевая устойчивость, контролируется несколькими генами (QTL – локусы количественных признаков), которые аддитивно способствуют более низкому уровню устойчивости. В отличие от устойчивости R-генов, количественная устойчивость, как правило, эффективна против более широкого спектра патогенов и более долговечна, что означает, что ее менее вероятно преодолеть в результате эволюции патогена. Однако количественную устойчивость часто труднее идентифицировать и включать в сельскохозяйственные культуры из-за ее сложной генетической архитектуры. Примером является долговечная устойчивость к болезни риса, контролируемая несколькими QTL, которая обеспечивает широкий спектр и долговременную защиту.

Стратегии разработки устойчивых к болезням сельскохозяйственных культур

Для разработки устойчивых к болезням сортов сельскохозяйственных культур используется несколько стратегий, каждая из которых имеет свои преимущества и ограничения:

1. Традиционная селекция растений

Традиционная селекция растений включает в себя отбор и скрещивание растений с желательными признаками, включая устойчивость к болезням. Этот процесс может быть трудоемким и трудоемким, но он был очень успешным в разработке многих устойчивых к болезням сортов сельскохозяйственных культур. Процесс обычно включает в себя:

Определение источников устойчивости: Скрининг существующей зародышевой плазмы (коллекции генетических ресурсов растений) для выявления растений с устойчивостью к определенным заболеваниям. Дикие родственники сельскохозяйственных культур часто являются ценным источником генов устойчивости.
Скрещивание устойчивых растений с элитными сортами: Скрещивание устойчивых растений с высокоурожайными или иными желательными сортами для объединения устойчивости с другими важными признаками.
Отбор на устойчивость: Оценка потомства (потомства) на устойчивость к целевому заболеванию и отбор наиболее устойчивых растений для дальнейшей селекции.
Обратное скрещивание: Повторное скрещивание устойчивого потомства с элитным сортом для восстановления желательных признаков элитного сорта при сохранении устойчивости.

Примером является разработка устойчивых к фитофторозу сортов картофеля путем традиционной селекции с использованием генов диких видов картофеля, которые проявляют естественную устойчивость к *Phytophthora infestans*.

2. Маркер-опосредованная селекция (MAS)

Маркер-опосредованная селекция (MAS) использует ДНК-маркеры, связанные с генами, контролирующими устойчивость к болезням, для отбора устойчивых растений во время селекции. Это может ускорить процесс селекции и повысить эффективность отбора, особенно для признаков, которые трудно или дорого оценивать напрямую. Процедура включает в себя:

Идентификация ДНК-маркеров, связанных с генами устойчивости: Идентификация ДНК-маркеров (например, SNPs, SSRs), которые тесно связаны с целевым геном устойчивости или QTL.
Генотипирование растений: Анализ ДНК отдельных растений для определения, какие аллели (варианты) маркера они несут.
Отбор растений с благоприятными аллелями маркеров: Отбор растений, несущих аллели маркеров, связанные с устойчивостью, для дальнейшей селекции.

MAS успешно использовалась при селекции риса для интрогрессии генов устойчивости к бактериальной пятнистости и болезни риса, что значительно ускорило разработку устойчивых сортов. Например, ген Xa21, отвечающий за устойчивость риса к бактериальной пятнистости, может быть эффективно отобран с использованием связанных ДНК-маркеров.

3. Генная инженерия (трансгенные подходы)

Генная инженерия включает в себя прямую передачу генов от одного организма к другому, в том числе генов, обеспечивающих устойчивость к болезням. Этот подход может быть использован для введения генов устойчивости от несвязанных видов или для модификации существующих генов растений для повышения устойчивости. Этапы:

Идентификация и изоляция генов устойчивости: Идентификация и изоляция генов, обеспечивающих устойчивость, от других растений, бактерий или даже животных.
Введение гена в культивируемое растение: Введение гена в культивируемое растение с использованием вектора (например, *Agrobacterium*) или генной пушки.
Отбор и проверка трансгенных растений: Отбор растений, успешно интегрировавших ген в свой геном, и проверка того, что ген функционален и обеспечивает устойчивость.

Bt-хлопок, который экспрессирует ген из бактерии *Bacillus thuringiensis*, обеспечивающий устойчивость к определенным вредителям насекомых, является ярким примером генно-инженерной культуры. Аналогичным образом, генетически модифицированная папайя, устойчивая к вирусу кольцевой пятнистости папайи (PRSV), спасла гавайскую индустрию папайи.

4. Редактирование генов (CRISPR-Cas9)

Технологии редактирования генов, такие как CRISPR-Cas9, позволяют выполнять точные и целенаправленные модификации генов растений. Это может быть использовано для отключения генов, которые делают растения восприимчивыми к болезням, для введения генов устойчивости или для усиления существующих механизмов устойчивости. Метод включает в себя:

Разработка направляющих РНК: Разработка направляющих РНК, которые нацеливают фермент Cas9 на определенные участки генома растения.
Введение системы CRISPR-Cas9 в растение: Введение системы CRISPR-Cas9 в растение с использованием вектора или другого метода доставки.
Отбор и проверка отредактированных растений: Отбор растений, которые претерпели желаемое событие редактирования генов, и проверка того, что редактирование обеспечивает устойчивость.

CRISPR-Cas9 использовался для разработки сортов риса, устойчивых к бактериальной пятнистости, путем редактирования гена *OsSWEET14*, который патоген использует для доступа к питательным веществам. Аналогичным образом, он был использован для повышения устойчивости к мучнистой росе у пшеницы.

Проблемы при разработке долговечной устойчивости к болезням

Несмотря на значительный прогресс в разработке устойчивых к болезням сельскохозяйственных культур, остается несколько проблем:

Эволюция патогенов: Патогены могут быстро эволюционировать, чтобы преодолеть гены устойчивости, особенно отдельные основные гены. Это постоянная гонка вооружений между селекционерами и патогенами.
Сложность устойчивости: Количественная устойчивость часто контролируется несколькими генами, что затрудняет ее идентификацию и включение в сельскохозяйственные культуры.
Компромиссы с другими признаками: Включение устойчивости к болезням иногда может происходить за счет других желательных признаков, таких как урожайность или качество.
Нормативные барьеры и общественное восприятие: Генно-инженерные культуры сталкиваются с нормативными барьерами и общественной обеспокоенностью в некоторых регионах, ограничивая их внедрение.
Изменение климата: Изменение климата изменяет распространение и вирулентность патогенов растений, создавая новые проблемы для борьбы с болезнями.

Стратегии преодоления проблем и достижения долговечной устойчивости

Чтобы преодолеть эти проблемы и разработать долговечную устойчивость к болезням, исследователи и селекционеры используют различные стратегии:

1. Пирамидирование генов

Пирамидирование генов предполагает объединение нескольких генов устойчивости в один сорт. Это затрудняет преодоление устойчивости патогенами, поскольку им необходимо одновременно преодолеть несколько генов. Пирамидирование генов может быть достигнуто путем традиционной селекции, маркер-опосредованной селекции или генной инженерии.

2. Диверсификация генов устойчивости

Развертывание широкого спектра генов устойчивости в разных сортах и регионах может снизить давление отбора на патогены и замедлить эволюцию вирулентности. Это может быть достигнуто путем севооборота, смесей сортов и стратегий регионального развертывания.

3. Понимание биологии патогенов

Более глубокое понимание биологии патогенов, включая механизмы заражения, факторы вирулентности и стратегии эволюции, имеет решающее значение для разработки эффективных и долговечных стратегий устойчивости. Эти знания могут быть использованы для выявления новых генов устойчивости и разработки новых стратегий контроля.

4. Интеграция устойчивости с другими мерами контроля

Интеграция генетической устойчивости с другими мерами контроля, такими как методы ведения сельского хозяйства, биологический контроль и разумное использование пестицидов, может обеспечить более надежный и устойчивый подход к борьбе с болезнями. Этот подход интегрированной борьбы с вредителями (IPM) может снизить зависимость от какой-либо одной меры контроля и минимизировать риск развития устойчивости.

5. Использование новых технологий

Появляющиеся технологии, такие как секвенирование генома, транскриптомика, протеомика и метаболомика, предоставляют новые сведения о взаимодействии растений и патогенов и ускоряют открытие генов устойчивости. Эти технологии также могут быть использованы для мониторинга популяций патогенов и прогнозирования появления новых вирулентных штаммов.

Глобальные примеры успешной разработки устойчивости к болезням

Несколько успешных примеров демонстрируют силу генетики сельскохозяйственных культур в разработке устойчивых к болезням культур:

Устойчивость к болезни риса в Азии: Обширные исследования и селекционные работы привели к разработке сортов риса с долговечной устойчивостью к болезни риса, основной угрозе для производства риса в Азии.
Устойчивость пшеницы к ржавчине в Австралии: Австралийские селекционеры пшеницы добились больших успехов в разработке сортов пшеницы с устойчивостью к стеблевой ржавчине, бурой ржавчине и полосатой ржавчине, обеспечивая стабильное производство пшеницы в регионе.
Устойчивость к мозаичной болезни маниоки в Африке: Селекционные программы разработали сорта маниоки с устойчивостью к мозаичной болезни маниоки (CMD), вирусной болезни, которая серьезно влияет на производство маниоки в Африке, основного продукта питания для миллионов людей.
Устойчивость виноградной лозы к филлоксере в Европе: Прививка европейских виноградных лоз на подвои американских видов винограда, устойчивых к тле, питающейся корнями филлоксерой, спасла европейскую винодельческую промышленность в конце 19 века.
Устойчивость бананов к панамской болезни (TR4): Ведутся исследования по разработке сортов бананов, устойчивых к тропической расе 4 (TR4) панамской болезни, почвенной грибковой болезни, которая угрожает производству бананов во всем мире. Усилия включают традиционную селекцию, генную инженерию и редактирование генов.

Будущее устойчивости к болезням в сельскохозяйственных культурах

Будущее устойчивости к болезням в сельскохозяйственных культурах заключается в многогранном подходе, который сочетает в себе лучшее из традиционной селекции, современной биотехнологии и глубокое понимание взаимодействия растений и патогенов. Основными направлениями деятельности являются:

Использование силы геномики: Использование геномики для выявления и характеристики новых генов устойчивости и понимания генетической основы долговечной устойчивости.
Разработка инновационных стратегий селекции: Применение передовых методов селекции, таких как геномный отбор и ускоренная селекция, для ускорения разработки устойчивых к болезням сортов.
Использование технологий редактирования генов: Использование технологий редактирования генов для точной модификации генов растений и повышения устойчивости к более широкому спектру патогенов.
Содействие устойчивым методам ведения сельского хозяйства: Интеграция устойчивости к болезням с устойчивыми методами ведения сельского хозяйства, такими как севооборот, промежуточное земледелие и безотвальная обработка почвы, чтобы снизить риск вспышек болезней и способствовать долгосрочной продовольственной безопасности.
Укрепление международного сотрудничества: Развитие международного сотрудничества между исследователями, селекционерами и политиками для обмена знаниями, ресурсами и зародышевой плазмой, а также для решения глобальной проблемы болезней растений.

Заключение

Разработка устойчивых к болезням сортов сельскохозяйственных культур необходима для обеспечения глобальной продовольственной безопасности и смягчения воздействия патогенов растений. Генетика сельскохозяйственных культур играет решающую роль в этом начинании, предоставляя инструменты и знания для понимания и манипулирования взаимодействием растений и патогенов. Применяя широкий спектр стратегий, от традиционной селекции до редактирования генов, и содействуя международному сотрудничеству, мы можем разработать долговечную устойчивость к болезням и защитить наше продовольственное снабжение для будущих поколений.

Инвестиции в исследования и разработки в области генетики сельскохозяйственных культур являются решающим шагом на пути к построению более устойчивой и устойчивой глобальной продовольственной системы. Предоставляя фермерам устойчивые к болезням сорта сельскохозяйственных культур, мы можем уменьшить потери урожая, свести к минимуму использование пестицидов и обеспечить стабильное и питательное продовольственное снабжение для всех.