Ржавчина пшеницы выбросила ненужные гены и стала суперзаразной

Стебли пшеницы, пораженные ржавчиной

Robert Park, University of Sydney

Стеблевая ржавчина (опасный патоген пшеницы) в некоторых случаях становится более заразной за счет «выбрасывания» генов, которые кодируют маркеры, распознаваемые иммунной системой растения. К такому выводу пришли авторы сразу двух статей, опубликованных в Science.

Стеблевая ржавчина пшеницы известна фермерам со времен античности. О значимости этого заболевания для урожая злаков говорит тот факт, что в Древнем Риме даже существовал праздник под названием робигалии, во время которого жрецы молились о сохранении пшеницы от ржавчины и совершали жертвоприношения. Еще в начале XX века стеблевая ржавчина уничтожала пятую часть урожая пшеницы в США.

Это заболевание вызывается патогенным грибом Puccinia graminis, который поражает много видов злаков. Образование специфических спороносных структур на стеблях приводит к полеганию растений. С середины XX века селекционеры занимаются выведением сортов пшеницы, устойчивых к ржавчине, однако возбудитель отличается высокой изменчивостью и постепенно учится заражать и эти сорта. К примеру, в 1999 году на территории Уганды был идентифицирован высоковирулентный штамм гриба, который был способен вызывать гибель до 100 процентов урожая. Штамм, который быстро распространился по территории Африки, получил название Ug99. В настоящее время к нему устойчивы только 10 процентов мировых угодий пшеницы.

Защиту от ржавчины пшенице обеспечивают рецепторы к поверхностным белковым маркерам гриба, которые кодируются генами Sr (от stem rust resistance). Таких генов известно около 50. В ответ на распознавание маркера в растениях запускается реакция, аналогичная иммунному ответу животных, которая приводит к уничтожению патогена. Исследователи из университета Сиднея (Австралия) и университета Канзаса (США) выяснили, каким образом штаммы гриба избегают распознавания и заражают растения.

Оба исследования, опубликованные в Science, посвящены исследованию молекулярного механизма вирулентности суперзаразных штаммов ржавчины. Ранее ученые установили, что рецепторы Sr35 и Sr50 пшеницы обеспечивают устойчивость ко всем известным природным разновидностям ржавчины, включая Ug99. Однако в лабораторных условиях удалось получить мутантные грибы, которые оказались способны заражать и эти растения. Для того чтобы идентифицировать белки, которые служат маркерами для рецепторов пшеницы, ученые прочитали последовательность ДНК мутантных грибов и сравнили ее с ДНК предшественников.

В обоих случаях удалось установить, что рецепторы Sr35 и Sr50 распознают секретируемые наружу грибом белки AvrSr35 и AvrSr50. Оказалось, что устойчивость мутантных штаммов к иммунитету пшеницы обусловлена потерей функциональности этими генами. В случае с AvrSr50 ген был просто выброшен из генома в результате случайной хромосомной перестройки. В мутанте по AvrSr35 в последовательность гена встроился мобильный элемент, что привело к поломке гена.

Таким образом, исследователи выяснили, что в качестве одной из стратегий, обеспечивающих его вирулентность, возбудитель ржавчины использует широкий репертуар маркеров, который позволяет безболезненно избавляться от некоторых из них, чтобы обеспечить устойчивость к иммунитету растений.

Мы рассказывали, что в этом году исследователи впервые собрали полный геном дикого предка сельскохозяйственной пшеницы. Сравнение геномов различных сортов сельскохозяйственных культур, полученных традиционной селекцией, позволяет выявить наиболее значимые локусы, в области которых уже можно ввести направленные модификации.

Дарья Спасская

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.