Победная комбинация генов обеспечивает устойчивость овса к опасной болезни

Исследователи определили последние этапы биологического пути, который обеспечивает овсу устойчивость к смертельно опасной для сельхозкультур болезни — галловой нематоде (take-all).

Это открытие создаёт возможности для разработки новых способов защиты пшеницы и других злаков от этой почвенной корневой болезни.

Воссоздание системы защиты

Учёные уже сделали первый шаг, успешно воссоздав эту систему самозащиты в модельном растении Nicotiana benthamiana.

Эксперименты по внедрению пути биосинтеза авенацинов в более сложный геном пшеницы для проверки устойчивости к болезни уже начаты в сотрудничестве с Национальным институтом ботаники (NIAB) в Кембридже.

Роль авенацинов

Авенацины — это антимикробные соединения, синтезируемые в корнях овса, которые защищают его от почвенных болезней, включая галловую нематоду. Этот грибковый патоген наносит огромный ущерб урожаю пшеницы, и эффективных средств борьбы с ним нет.

Пшеница и другие злаки не производят эти соединения, но понимание механизма их синтеза в овсе даст учёным знания для создания устойчивых к болезням линий пшеницы с помощью современных технологий.

Генетический кластер

Ранее были охарактеризованы и клонированы десять генов пути биосинтеза авенацинов в геноме овса. В новой работе, используя геномный подход, команда выявила полный путь, кодируемый 12 генами.

Оказалось, что эти гены сгруппированы в геноме рядом друг с другом, как бусины на нитке, и организованы вдоль хромосомы примерно в том же порядке, что и этапы биосинтеза, — как рецепт, где ингредиенты перечислены по порядку.

Кластер генов авенацинов расположен очень близко к концу одного из плеч хромосомы 1 овса. При этом гены ранних этапов пути находятся ближе к концу хромосомы (теломере), а гены поздних этапов — дальше.

Учёные предполагают, что такая организация может быть связана с тем, что мутации в генах поздних этапов пути могут приводить к накоплению соединений, негативно влияющих на рост растения, тогда как мутации в генах ранних этапов — нет. Ориентация генов поздних этапов в сторону от теломерной области снижает риск негативного воздействия токсинов на растение.

Эволюция и адаптация

Сравнение с секвенированными геномами других злаков показало, что кластер авенацинов сформировался уже после отделения овса от других видов растений, что, по мнению исследователей, связано с особым набором факторов естественного отбора.

Профессор Энн Осборн, один из авторов исследования: «Наши исследования показывают, что растительные геномы способны перетасовывать и эволюционировать свои гены, чтобы адаптироваться к конкретным стрессам — в данном случае к почвенным грибковым заболеваниям. В ходе этого процесса выигрышные комбинации генов, дающие селективное преимущество, могут быть собраны из разных частей генома и объединены в кластер. Это обеспечивает их совместную передачу из поколения в поколение и снижает риск неполного наследования генов пути с сопутствующими негативными эффектами».

Это исследование — ещё один пример кластеров генов биосинтеза у растений, отвечающих за производство различных соединений, включая лекарственные. Дальнейшее изучение распространённости такой геномной организации в царстве растений зависит от секвенирования геномов более широкого разнообразия видов.