Генетика сільськогосподарських культур: Розробка стійкості до хвороб для глобальної продовольчої безпеки

Хвороби рослин становлять значну загрозу для глобальної продовольчої безпеки. Патогени, такі як гриби, бактерії, віруси та нематоди, можуть знищувати посіви, що призводить до значних втрат урожаю та економічних труднощів для фермерів у всьому світі. Розробка стійких до хвороб сортів сільськогосподарських культур є, отже, критично важливою стратегією для забезпечення стабільного та сталого постачання продовольства. Генетика сільськогосподарських культур відіграє центральну роль у цьому, надаючи інструменти та знання для розуміння та маніпулювання взаємодією між рослинами та патогенами.

Важливість стійкості до хвороб у сільськогосподарських культурах

Вплив хвороб рослин на глобальне сільське господарство є глибоким. Розглянемо наступне:

Втрати врожаю: Хвороби рослин можуть зменшити врожайність сільськогосподарських культур на цілих 40% у деяких регіонах, особливо в країнах, що розвиваються.
Економічний вплив: Втрати врожаю призводять до мільярдів доларів економічних збитків щорічно, що впливає на фермерів, споживачів і глобальну економіку.
Продовольча безпека: Спалахи захворювань можуть призвести до дефіциту продовольства, недоїдання та навіть голоду, особливо серед вразливих груп населення. Ірландський картопляний голод середини 19-го століття, викликаний ооміцетом *Phytophthora infestans*, залишається яскравим нагадуванням про руйнівні наслідки хвороб рослин.
Вплив на навколишнє середовище: Використання хімічних пестицидів для боротьби з хворобами рослин може мати згубні наслідки для навколишнього середовища, включаючи забруднення ґрунту та води, шкоду корисним комахам і розвиток стійких до пестицидів патогенів.

Розробка стійких до хвороб сортів сільськогосподарських культур пропонує сталу та екологічно чисту альтернативу покладанню виключно на хімічний контроль. Впроваджуючи генетичну стійкість у сільськогосподарські культури, ми можемо зменшити потребу в пестицидах, мінімізувати втрати врожаю та підвищити продовольчу безпеку.

Генетичні основи стійкості до хвороб у рослин

Рослини мають складну імунну систему, яка дозволяє їм розпізнавати патогени та захищатися від них. Цей імунітет генетично визначений і включає складну взаємодію генів і сигнальних шляхів. Існує два основних типи стійкості:

1. Якісна стійкість (R-генна стійкість)

Якісна стійкість, також відома як R-генна стійкість, забезпечується окремими домінантними генами (R-генами), які розпізнають специфічні ефектори патогену (фактори авірулентності). Ця взаємодія викликає швидку та потужну захисну реакцію, яка часто включає запрограмовану загибель клітин у місці інфекції (реакція гіперчутливості, HR). R-генна стійкість зазвичай є дуже ефективною, але її можуть подолати патогени, які розвивають нові варіанти ефекторів. Наприклад, багато сортів пшениці було розроблено з R-генами, що забезпечують стійкість до специфічних рас гриба іржі пшениці *Puccinia graminis f. sp. tritici*. Однак поява нових вірулентних рас, таких як Ug99, підкреслила обмеження, пов’язані з покладанням виключно на окремі R-гени.

2. Кількісна стійкість (часткова стійкість)

Кількісна стійкість, також відома як часткова стійкість або польова стійкість, контролюється численними генами (QTLs – Quantitative Trait Loci), які адитивно сприяють нижчому рівню стійкості. На відміну від R-генної стійкості, кількісна стійкість зазвичай ефективна проти ширшого спектру патогенів і є більш стійкою, тобто її менш імовірно буде подолано еволюцією патогенів. Однак кількісну стійкість часто важче ідентифікувати та впровадити в сільськогосподарські культури через її складну генетичну архітектуру. Прикладом є стійка стійкість до пірикуляріозу рису, контрольована кількома QTLs, яка забезпечує широкий спектр і тривалий захист.

Стратегії розробки стійких до хвороб сільськогосподарських культур

Для розробки стійких до хвороб сортів сільськогосподарських культур використовується кілька стратегій, кожна зі своїми перевагами та обмеженнями:

1. Традиційна селекція рослин

Традиційна селекція рослин передбачає відбір і схрещування рослин з бажаними ознаками, включаючи стійкість до хвороб. Цей процес може займати багато часу та вимагати багато зусиль, але він був дуже успішним у розробці багатьох стійких до хвороб сортів сільськогосподарських культур. Процес зазвичай включає:

Виявлення джерел стійкості: Скринінг існуючої зародкової плазми (колекції рослинних генетичних ресурсів) для виявлення рослин зі стійкістю до певних хвороб. Дикі родичі сільськогосподарських культур часто є цінним джерелом генів стійкості.
Схрещування стійких рослин з елітними сортами: Схрещування стійких рослин з високоврожайними або іншими бажаними сортами для поєднання стійкості з іншими важливими ознаками.
Відбір на стійкість: Оцінка потомства (нащадків) на стійкість до цільової хвороби та відбір найбільш стійких рослин для подальшої селекції.
Зворотне схрещування: Неодноразове схрещування стійкого потомства з елітним сортом для відновлення бажаних ознак елітного сорту, зберігаючи при цьому стійкість.

Прикладом є розробка стійких до фітофтори сортів картоплі за допомогою традиційної селекції з використанням генів диких видів картоплі, які демонструють природну стійкість до *Phytophthora infestans*.

2. Маркер-асоційована селекція (MAS)

Маркер-асоційована селекція (MAS) використовує ДНК-маркери, пов’язані з генами, що контролюють стійкість до хвороб, для відбору стійких рослин під час селекції. Це може прискорити процес селекції та підвищити ефективність відбору, особливо для ознак, які важко або дорого оцінити безпосередньо. Процедура включає:

Виявлення ДНК-маркерів, пов’язаних з генами стійкості: Виявлення ДНК-маркерів (наприклад, SNPs, SSRs), які тісно пов’язані з цільовим геном стійкості або QTL.
Генотипування рослин: Аналіз ДНК окремих рослин, щоб визначити, які алелі (варіанти) маркера вони мають.
Відбір рослин з сприятливими алелями маркера: Відбір рослин, які несуть алелі маркера, пов’язані зі стійкістю, для подальшої селекції.

MAS успішно використовується в селекції рису для інтрогресії генів стійкості до бактеріального опіку та пірикуляріозу, що значно прискорює розробку стійких сортів. Наприклад, ген Xa21 для стійкості до бактеріального опіку рису можна ефективно відібрати за допомогою пов’язаних ДНК-маркерів.

3. Генетична інженерія (трансгенні підходи)

Генетична інженерія передбачає безпосереднє перенесення генів від одного організму до іншого, включаючи гени, які забезпечують стійкість до хвороб. Цей підхід можна використовувати для введення генів стійкості від неспоріднених видів або для модифікації існуючих генів рослин для підвищення стійкості. Етапи такі:

Виявлення та виділення генів стійкості: Виявлення та виділення генів, які забезпечують стійкість від інших рослин, бактерій або навіть тварин.
Введення гена в сільськогосподарську рослину: Введення гена в сільськогосподарську рослину за допомогою вектора (наприклад, *Agrobacterium*) або генної гармати.
Відбір і перевірка трансгенних рослин: Відбір рослин, які успішно інтегрували ген у свій геном, і перевірка того, що ген функціональний і забезпечує стійкість.

Bt бавовна, яка експресує ген бактерії *Bacillus thuringiensis*, що забезпечує стійкість до певних комах-шкідників, є яскравим прикладом генетично модифікованої культури. Подібним чином, генетично модифікована папайя, стійка до вірусу плямистості папайї (PRSV), врятувала гавайську промисловість папайї.

4. Редагування генів (CRISPR-Cas9)

Технології редагування генів, такі як CRISPR-Cas9, дозволяють точно та цілеспрямовано модифікувати гени рослин. Це можна використовувати для вимкнення генів, які роблять рослини сприйнятливими до хвороб, для введення генів стійкості або для посилення існуючих механізмів стійкості. Метод включає:

Розробка направляючих РНК: Розробка направляючих РНК, які націлюють фермент Cas9 на конкретні ділянки в геномі рослини.
Введення системи CRISPR-Cas9 в рослину: Введення системи CRISPR-Cas9 в рослину за допомогою вектора або іншого способу доставки.
Відбір і перевірка редагованих рослин: Відбір рослин, які пройшли бажану подію редагування генів, і перевірка того, що редагування забезпечує стійкість.

CRISPR-Cas9 використовувався для розробки сортів рису, стійких до бактеріального опіку, шляхом редагування гена *OsSWEET14*, який патоген використовує для отримання поживних речовин. Подібним чином, він використовувався для підвищення стійкості до борошнистої роси у пшениці.

Проблеми у розробці стійкої стійкості до хвороб

Незважаючи на значний прогрес у розробці стійких до хвороб сільськогосподарських культур, залишається кілька проблем:

Еволюція патогенів: Патогени можуть швидко еволюціонувати, щоб подолати гени стійкості, особливо окремі, основні гени. Це постійна гонка озброєнь між селекціонерами та патогенами.
Складність стійкості: Кількісна стійкість часто контролюється кількома генами, що ускладнює її ідентифікацію та впровадження в сільськогосподарські культури.
Компроміси з іншими ознаками: Впровадження стійкості до хвороб іноді може відбуватися за рахунок інших бажаних ознак, таких як врожайність або якість.
Нормативні перешкоди та суспільне сприйняття: Генетично модифіковані культури стикаються з нормативними перешкодами та суспільними занепокоєннями в деяких регіонах, що обмежує їхнє впровадження.
Зміна клімату: Зміна клімату змінює поширення та вірулентність рослинних патогенів, створюючи нові виклики для боротьби з хворобами.

Стратегії подолання викликів і досягнення стійкої стійкості

Щоб подолати ці виклики та розробити стійку стійкість до хвороб, дослідники та селекціонери використовують різноманітні стратегії:

1. Пірамідування генів

Пірамідування генів передбачає поєднання кількох генів стійкості в один сорт. Це ускладнює для патогенів подолання стійкості, оскільки їм потрібно одночасно подолати кілька генів. Пірамідування генів можна досягти за допомогою традиційної селекції, маркер-асоційованої селекції або генетичної інженерії.

2. Диверсифікація генів стійкості

Розгортання різноманітного спектру генів стійкості в різних сортах і регіонах може зменшити селекційний тиск на патогени та сповільнити еволюцію вірулентності. Цього можна досягти за допомогою сівозміни, сумішей сортів і регіональних стратегій розгортання.

3. Розуміння біології патогенів

Більш глибоке розуміння біології патогенів, включаючи їхні механізми інфекції, фактори вірулентності та еволюційні стратегії, має вирішальне значення для розробки ефективних і стійких стратегій стійкості. Ці знання можна використовувати для виявлення нових генів стійкості та розробки нових стратегій контролю.

4. Інтеграція стійкості з іншими заходами контролю

Інтеграція генетичної стійкості з іншими заходами контролю, такими як агротехнічні методи, біологічний контроль і розсудливе використання пестицидів, може забезпечити більш надійний і сталий підхід до боротьби з хворобами. Цей інтегрований підхід до боротьби зі шкідниками (IPM) може зменшити залежність від будь-якого окремого заходу контролю та мінімізувати ризик розвитку стійкості.

5. Використання нових технологій

Нові технології, такі як секвенування геному, транскриптоміка, протеоміка та метаболоміка, надають нове розуміння взаємодії між рослинами та патогенами та прискорюють відкриття генів стійкості. Ці технології також можна використовувати для моніторингу популяцій патогенів і прогнозування появи нових вірулентних штамів.

Глобальні приклади успішної розробки стійкості до хвороб

Кілька успішних прикладів демонструють силу генетики сільськогосподарських культур у розробці стійких до хвороб культур:

Стійкість до пірикуляріозу рису в Азії: Широкі дослідження та селекційні зусилля призвели до розробки сортів рису зі стійкою стійкістю до пірикуляріозу, основної загрози виробництву рису в Азії.
Стійкість до іржі пшениці в Австралії: Австралійські селекціонери пшениці досягли великих успіхів у розробці сортів пшениці, стійких до стеблової іржі, листкової іржі та смугастої іржі, забезпечуючи стабільне виробництво пшениці в регіоні.
Стійкість до мозаїчної хвороби маніоку в Африці: Селекційні програми розробили сорти маніоку, стійкі до мозаїчної хвороби маніоку (CMD), вірусного захворювання, яке серйозно впливає на виробництво маніоку в Африці, основного продукту харчування для мільйонів людей.
Стійкість виноградної лози до філоксери в Європі: Щеплення європейських виноградних лоз на підщепи американських видів винограду, які стійкі до кореневої попелиці філоксери, врятувало європейську виноробну промисловість наприкінці 19 століття.
Стійкість бананів до панамської хвороби (TR4): Тривають дослідження з розробки сортів бананів, стійких до тропічної раси 4 (TR4) панамської хвороби, ґрунтової грибкової хвороби, яка загрожує виробництву бананів у всьому світі. Зусилля включають традиційну селекцію, генетичну інженерію та редагування генів.

Майбутнє стійкості до хвороб у сільськогосподарських культурах

Майбутнє стійкості до хвороб у сільськогосподарських культурах полягає в багатогранному підході, який поєднує найкраще з традиційної селекції, сучасної біотехнології та глибокого розуміння взаємодії між рослинами та патогенами. Ключові сфери уваги включають:

Використання сили геноміки: Використання геноміки для виявлення та характеристики нових генів стійкості та для розуміння генетичних основ стійкої стійкості.
Розробка інноваційних стратегій селекції: Використання передових методів селекції, таких як геномна селекція та прискорена селекція, для прискорення розробки стійких до хвороб сортів.
Використання технологій редагування генів: Використання технологій редагування генів для точної модифікації генів рослин і підвищення стійкості до ширшого спектру патогенів.
Сприяння стійким методам ведення сільського господарства: Інтеграція стійкості до хвороб зі стійкими методами ведення сільського господарства, такими як сівозміна, змішані посіви та консервативна обробка ґрунту, для зменшення ризику спалахів захворювань і сприяння довгостроковій продовольчій безпеці.
Зміцнення міжнародної співпраці: Сприяння міжнародній співпраці між дослідниками, селекціонерами та політиками для обміну знаннями, ресурсами та зародковою плазмою, а також для вирішення глобальної проблеми хвороб рослин.

Висновок

Розробка стійких до хвороб сортів сільськогосподарських культур має важливе значення для забезпечення глобальної продовольчої безпеки та пом’якшення впливу рослинних патогенів. Генетика сільськогосподарських культур відіграє вирішальну роль у цьому, надаючи інструменти та знання для розуміння та маніпулювання взаємодією між рослинами та патогенами. Застосовуючи різноманітні стратегії, від традиційної селекції до редагування генів, і сприяючи міжнародній співпраці, ми можемо розвинути стійку стійкість до хвороб і захистити наші запаси продовольства для майбутніх поколінь.

Інвестування в дослідження та розробки в галузі генетики сільськогосподарських культур є важливим кроком до створення більш стійкої та сталої глобальної продовольчої системи. Надаючи фермерам можливості за допомогою стійких до хвороб сортів сільськогосподарських культур, ми можемо зменшити втрати врожаю, мінімізувати використання пестицидів і забезпечити стабільне та поживне постачання продовольства для всіх.