Växtgenetik: Utveckling av sjukdomsresistens för global livsmedelssäkerhet

Växtsjukdomar utgör ett betydande hot mot den globala livsmedelssäkerheten. Patogener som svampar, bakterier, virus och nematoder kan föröda grödor, vilket leder till betydande skördeförluster och ekonomiska svårigheter för jordbrukare världen över. Att utveckla sjukdomsresistenta växtsorter är därför en kritisk strategi för att säkerställa en stabil och hållbar livsmedelsförsörjning. Växtgenetik spelar en central roll i detta arbete och tillhandahåller verktyg och kunskap för att förstå och manipulera interaktioner mellan växter och patogener.

Betydelsen av sjukdomsresistens i grödor

Växtsjukdomarnas inverkan på det globala jordbruket är djupgående. Tänk på följande:

Skördeförluster: Växtsjukdomar kan minska skördar med så mycket som 40 % i vissa regioner, särskilt i utvecklingsländer.
Ekonomisk inverkan: Skördeförluster leder till ekonomiska förluster på miljarder dollar årligen, vilket påverkar jordbrukare, konsumenter och den globala ekonomin.
Livsmedelssäkerhet: Sjukdomsutbrott kan leda till livsmedelsbrist, undernäring och till och med svält, särskilt i utsatta populationer. Den irländska potatissvälten i mitten av 1800-talet, orsakad av oomyceten *Phytophthora infestans*, är fortfarande en stark påminnelse om de förödande konsekvenserna av växtsjukdomar.
Miljökonsekvenser: Användningen av kemiska bekämpningsmedel för att kontrollera växtsjukdomar kan ha skadliga effekter på miljön, inklusive förorening av mark och vatten, skada på nyttiga insekter och utveckling av bekämpningsmedelsresistenta patogener.

Att utveckla sjukdomsresistenta växtsorter erbjuder ett hållbart och miljövänligt alternativ till att enbart förlita sig på kemiska bekämpningsmedel. Genom att införliva genetisk resistens i grödor kan vi minska behovet av bekämpningsmedel, minimera skördeförluster och förbättra livsmedelssäkerheten.

Genetisk grund för sjukdomsresistens i växter

Växter har ett sofistikerat immunförsvar som gör det möjligt för dem att känna igen och försvara sig mot patogener. Denna immunitet är genetiskt bestämd och involverar ett komplext samspel mellan gener och signalvägar. Det finns två huvudtyper av resistens:

1. Kvalitativ resistens (R-genresistens)

Kvalitativ resistens, även känd som R-genresistens, ges av enskilda dominanta gener (R-gener) som känner igen specifika patogeneffektorer (avirulensfaktorer). Denna interaktion utlöser ett snabbt och robust försvarssvar, ofta involverande programmerad celldöd vid infektionsstället (den hypersensitiva responsen, HR). R-genresistens är vanligtvis mycket effektiv, men kan övervinnas av patogener som utvecklar nya effektorfövarianter. Till exempel har många vetesorter utvecklats med R-gener som ger resistens mot specifika raser av vetets rostsvamp *Puccinia graminis f. sp. tritici*. Uppkomsten av nya, virulenta raser, som Ug99, har dock belyst begränsningarna med att enbart förlita sig på enskilda R-gener.

2. Kvantitativ resistens (partiell resistens)

Kvantitativ resistens, även känd som partiell resistens eller fältresistens, kontrolleras av flera gener (QTL – Quantitative Trait Loci) som bidrar additivt till en lägre resistensnivå. Till skillnad från R-genresistens är kvantitativ resistens vanligtvis effektiv mot ett bredare spektrum av patogener och är mer hållbar, vilket innebär att den är mindre sannolikt att övervinnas av patogenutveckling. Kvantitativ resistens är dock ofta svårare att identifiera och införliva i grödor på grund av dess komplexa genetiska arkitektur. Ett exempel är den varaktiga resistensen mot sprängningssjukdom i ris, kontrollerad av flera QTL, som ger ett bredspektrum och långvarigt skydd.

Strategier för att utveckla sjukdomsresistenta grödor

Flera strategier används för att utveckla sjukdomsresistenta växtsorter, var och en med sina egna fördelar och begränsningar:

1. Konventionell växtförädling

Konventionell växtförädling innebär att man väljer och korsar växter med önskvärda egenskaper, inklusive sjukdomsresistens. Denna process kan vara tidskrävande och arbetsintensiv, men den har varit mycket framgångsrik i att utveckla många sjukdomsresistenta växtsorter. Processen innefattar vanligtvis:

Identifiera resistenskällor: Screening av befintligt groddplasma (samlingar av växtgenetiska resurser) för att identifiera växter med resistens mot specifika sjukdomar. Vilda släktingar till grödor är ofta en värdefull källa till resistensgener.
Korsa resistenta växter med elitsorter: Korsa resistenta växter med högavkastande eller på annat sätt önskvärda sorter för att kombinera resistens med andra viktiga egenskaper.
Välja för resistens: Utvärdera avkomman (avkomman) för resistens mot målsjukdomen och välja de mest resistenta växterna för vidare förädling.
Återkorsning: Upprepade gånger korsa den resistenta avkomman med elitsorten för att återställa elitsortens önskvärda egenskaper samtidigt som resistensen bibehålls.

Ett exempel är utvecklingen av blastresistenta potatissorter genom traditionell förädling, med hjälp av gener från vilda potatisarter som uppvisar naturlig resistens mot *Phytophthora infestans*.

2. Markörassisterad selektion (MAS)

Markörassisterad selektion (MAS) använder DNA-markörer som är kopplade till gener som styr sjukdomsresistens för att välja resistenta växter under förädlingen. Detta kan påskynda förädlingsprocessen och förbättra effektiviteten i urvalet, särskilt för egenskaper som är svåra eller dyra att utvärdera direkt. Proceduren innebär:

Identifiera DNA-markörer kopplade till resistensgener: Identifiera DNA-markörer (t.ex. SNP, SSR) som är nära kopplade till målresistensgenen eller QTL.
Genotypningsväxter: Analysera DNA från enskilda växter för att avgöra vilka alleler (varianter) av markören de har.
Välja växter med gynnsamma marköralleler: Välja växter som bär markörallelerna associerade med resistens för vidare förädling.

MAS har framgångsrikt använts i risförädling för att införa resistensgener för bakteriell bladfläck och sprängningssjukdom, vilket avsevärt påskyndar utvecklingen av resistenta sorter. Till exempel kan Xa21-genen för bakteriell bladfläcksresistens i ris effektivt väljas med hjälp av länkade DNA-markörer.

3. Genteknik (transgena tillvägagångssätt)

Genteknik innebär att man direkt överför gener från en organism till en annan, inklusive gener som ger sjukdomsresistens. Detta tillvägagångssätt kan användas för att introducera resistensgener från obesläktade arter eller för att modifiera befintliga växtgener för att öka resistensen. Stegen är:

Identifiera och isolera resistensgener: Identifiera och isolera gener som ger resistens från andra växter, bakterier eller till och med djur.
Introducera genen i grödväxten: Introducera genen i grödväxten med hjälp av en vektor (t.ex. *Agrobacterium*) eller en genkanon.
Välja och verifiera transgena växter: Välja växter som framgångsrikt har integrerat genen i sitt genom och verifiera att genen är funktionell och ger resistens.

Bt-bomull, som uttrycker en gen från bakterien *Bacillus thuringiensis* som ger resistens mot vissa skadeinsekter, är ett framträdande exempel på en genmodifierad gröda. På samma sätt har genmodifierad papaya som är resistent mot papaya ringspot virus (PRSV) räddat den hawaiianska papaya industrin.

4. Genredigering (CRISPR-Cas9)

Genredigeringstekniker, såsom CRISPR-Cas9, möjliggör exakta och riktade modifieringar av växtgener. Detta kan användas för att slå ut gener som gör växter mottagliga för sjukdomar, för att införa resistensgener eller för att förbättra befintliga resistensmekanismer. Metoden omfattar:

Designa guide-RNA: Designa guide-RNA som riktar Cas9-enzymet till specifika platser i växtgenomet.
Introducera CRISPR-Cas9-systemet i växten: Introducera CRISPR-Cas9-systemet i växten med hjälp av en vektor eller annan leveransmetod.
Välja och verifiera redigerade växter: Välja växter som har genomgått den önskade genredigeringshändelsen och verifiera att redigeringen ger resistens.

CRISPR-Cas9 har använts för att utveckla rissorter som är resistenta mot bakteriell bladfläck genom att redigera *OsSWEET14*-genen, som patogenen använder för att komma åt näringsämnen. På samma sätt har den använts för att öka resistensen mot mjöldagg i vete.

Utmaningar med att utveckla varaktig sjukdomsresistens

Även om betydande framsteg har gjorts i utvecklingen av sjukdomsresistenta grödor, kvarstår flera utmaningar:

Patogenutveckling: Patogener kan utvecklas snabbt för att övervinna resistensgener, särskilt enskilda, stora gener. Detta är en ständig kapplöpning mellan förädlare och patogener.
Resistensens komplexitet: Kvantitativ resistens kontrolleras ofta av flera gener, vilket gör det svårt att identifiera och införliva i grödor.
Avvägningar med andra egenskaper: Att införliva sjukdomsresistens kan ibland ske på bekostnad av andra önskvärda egenskaper, såsom avkastning eller kvalitet.
Regleringshinder och allmänhetens uppfattning: Genmodifierade grödor möter regleringshinder och allmänhetens oro i vissa regioner, vilket begränsar deras användning.
Klimatförändringar: Klimatförändringarna förändrar fördelningen och virulensen hos växtpatogener, vilket utgör nya utmaningar för sjukdomshantering.

Strategier för att övervinna utmaningar och uppnå varaktig resistens

För att övervinna dessa utmaningar och utveckla varaktig sjukdomsresistens använder forskare och förädlare en mängd olika strategier:

1. Genpyramidisering

Genpyramidisering innebär att kombinera flera resistensgener i en enda sort. Detta gör det svårare för patogener att övervinna resistens eftersom de samtidigt skulle behöva övervinna flera gener. Genpyramidisering kan uppnås genom konventionell förädling, markörassisterad selektion eller genteknik.

2. Diversifiera resistensgener

Att använda ett brett spektrum av resistensgener över olika sorter och regioner kan minska selektionstrycket på patogener och bromsa utvecklingen av virulens. Detta kan uppnås genom växelbruk, sortblandningar och regionala användningsstrategier.

3. Förstå patogenbiologi

En djupare förståelse för patogenbiologi, inklusive deras infektionsmekanismer, virulensfaktorer och utvecklingsstrategier, är avgörande för att utveckla effektiva och varaktiga resistensstrategier. Denna kunskap kan användas för att identifiera nya resistensgener och för att utforma nya kontrollstrategier.

4. Integrera resistens med andra kontrollåtgärder

Att integrera genetisk resistens med andra kontrollåtgärder, såsom odlingsmetoder, biologisk bekämpning och ett klokt användande av bekämpningsmedel, kan ge ett mer robust och hållbart tillvägagångssätt för sjukdomshantering. Detta integrerade växtskydd (IPM) kan minska beroendet av en enskild kontrollåtgärd och minimera risken för resistensutveckling.

5. Använda ny teknik

Framväxande teknologier, såsom genomsekvensering, transkriptomik, proteomik och metabolomik, ger nya insikter i växt-patogen-interaktioner och påskyndar upptäckten av resistensgener. Dessa teknologier kan också användas för att övervaka patogenpopulationer och förutsäga uppkomsten av nya virulenta stammar.

Globala exempel på framgångsrik utveckling av sjukdomsresistens

Flera framgångsrika exempel visar kraften i växtgenetik för att utveckla sjukdomsresistenta grödor:

Risblastresistens i Asien: Omfattande forsknings- och förädlingsinsatser har lett till utvecklingen av rissorter med varaktig resistens mot blast disease, ett stort hot mot risproduktionen i Asien.
Veterostresistens i Australien: Australiska veteförädlare har varit mycket framgångsrika i att utveckla vetesorter med resistens mot stjälkröst, bladröst och strimmig rost, vilket säkerställer en stabil veteproduktion i regionen.
Kassavamosaiksjukdomsresistens i Afrika: Förädlingsprogram har utvecklat kassavasorter med resistens mot kassavamosaiksjukdom (CMD), en virussjukdom som påverkar kassavaproduktionen i Afrika, en basföda för miljoner, allvarligt.
Vinrankaresistens mot Phylloxera i Europa: Att ympa europeiska vinrankor på rotstockar av amerikanska vinrankor, som är resistenta mot den rotätande bladlössarten phylloxera, räddade den europeiska vinindustrin i slutet av 1800-talet.
Bananresistens mot Panamasjukan (TR4): Forskning pågår för att utveckla banansorter som är resistenta mot Tropical Race 4 (TR4) av Panamasjukan, en markburen svampsjukdom som hotar bananproduktionen över hela världen. Ansträngningarna inkluderar konventionell förädling, genteknik och genredigering.

Framtiden för sjukdomsresistens i grödor

Framtiden för sjukdomsresistens i grödor ligger i ett mångfacetterat tillvägagångssätt som kombinerar det bästa av traditionell förädling, modern bioteknik och en djup förståelse för interaktioner mellan växter och patogener. Viktiga fokusområden inkluderar:

Utnyttja kraften i genomik: Använda genomik för att identifiera och karakterisera nya resistensgener och för att förstå den genetiska grunden för varaktig resistens.
Utveckla innovativa förädlingsstrategier: Använda avancerade förädlingstekniker, såsom genomisk selektion och snabbförädling, för att påskynda utvecklingen av sjukdomsresistenta sorter.
Använda genredigeringstekniker: Utnyttja genredigeringstekniker för att exakt modifiera växtgener och öka resistensen mot ett bredare spektrum av patogener.
Främja hållbara jordbruksmetoder: Integrera sjukdomsresistens med hållbara jordbruksmetoder, såsom växelbruk, samplantering och bevarande jordbearbetning, för att minska risken för sjukdomsutbrott och främja långsiktig livsmedelssäkerhet.
Stärka internationellt samarbete: Främja internationellt samarbete mellan forskare, förädlare och beslutsfattare för att dela kunskap, resurser och groddplasma, och för att ta itu med den globala utmaningen med växtsjukdomar.

Slutsats

Att utveckla sjukdomsresistenta växtsorter är avgörande för att säkerställa den globala livsmedelssäkerheten och mildra effekterna av växtpatogener. Växtgenetik spelar en avgörande roll i detta arbete och tillhandahåller verktyg och kunskap för att förstå och manipulera interaktioner mellan växter och patogener. Genom att använda en mängd olika strategier, från konventionell förädling till genredigering, och genom att främja internationellt samarbete, kan vi utveckla varaktig sjukdomsresistens och skydda vår livsmedelsförsörjning för framtida generationer.

Att investera i växtgenetisk forskning och utveckling är ett avgörande steg mot att bygga ett mer motståndskraftigt och hållbart globalt livsmedelssystem. Genom att ge jordbrukare möjlighet att använda sjukdomsresistenta växtsorter kan vi minska skördeförluster, minimera användningen av bekämpningsmedel och säkerställa en stabil och näringsrik livsmedelsförsörjning för alla.