Новый метод ускоряет выделение генов устойчивости картофеля к фитофторозу

Ученые из Лаборатории Сэйнсбери (TSL) и Центра анализа генома (TGAC) разработали новый метод, ускоряющий выделение генов устойчивости растений к болезням. Команда также обнаружила совершенно новый источник генов устойчивости к фитофторозу у дикого родственника картофеля — Solanum americanum.

Патогены растений, такие как фитофтороз, могут быстро эволюционировать, преодолевая гены устойчивости, поэтому ученые постоянно ищут новые гены. Профессор Джонатан Джонс и его коллеги из TSL разработали новую технику под названием «SMRT RenSeq», которая, как ожидается, значительно сократит время, необходимое для определения новых генов устойчивости.

Команда планирует объединить несколько генов устойчивости в одном растении, чтобы патогенам было гораздо сложнее эволюционировать и преодолевать защиту растения. Ожидается, что применение этого метода улучшит коммерческие сорта, приведет к повышению урожайности, значительному снижению воздействия на окружающую среду и снижению затрат для производителя и потребителя.

Фитофтороз картофеля остается серьезной угрозой для производства картофеля и томатов. Мировые потери урожая оцениваются более чем в 3,5 млрд фунтов стерлингов. Профилактические меры и потери урожая обходятся британским фермерам примерно в 55 млн фунтов стерлингов в год, а борьба с фитофторозом может составлять до половины общей стоимости производства картофеля.

Борьба с болезнью требует частого применения фунгицидов, что влечет за собой не только значительные экономические, но и экологические издержки. Генетическую устойчивость можно внедрить в сельскохозяйственные культуры, что снижает потребность в химической обработке. Однако использование традиционных методов селекции для внедрения генетической устойчивости — долгий и трудоемкий процесс.

Источники новых генов устойчивости растений трудно найти. Команда TSL исследовала дикого родственника картофеля Solanum americanum, который несет несколько генов устойчивости, и с помощью новой техники быстро выделила новый ген устойчивости Rpi-amr3.

SMRT RenSeq значительно ускоряет и упрощает процесс поиска, определения и внедрения генетической устойчивости, комбинируя два метода секвенирования:

  • RenSeq (Resistance gene ENrichment SEQuencing)
  • SMRT (Single-Molecule Real Time sequencing)

Метод состоит из двух основных этапов:

  1. Подмножество последовательностей ДНК «захватывается» с помощью метода, который отбирает длинные молекулы ДНК, несущие последовательность, обычно связанную с генами устойчивости.
  2. Эти молекулы ДНК секвенируются несколько раз с использованием новой технологии длинных чтений SMRT, чтобы обеспечить максимально точное определение кода.

В результате получается очень надежная последовательность ДНК для каждого гена-кандидата на устойчивость. Генетический анализ результатов позволил команде определить, какие из этих генов-кандидатов связаны с устойчивостью к фитофторозу. Метод SMRT RenSeq также позволил команде идентифицировать и определить участки генома, которые регулируют гены устойчивости. Несколько кандидатов были внедрены в модельный вид, и один из них (Rpi-amr3) успешно обеспечил широкий спектр устойчивости к фитофторозу. Секвенирование выполнила группа Platforms & Pipelines в TGAC под руководством Дэвида Бейкера.

Профессор Джонатан Джонс: «Внедрение генов устойчивости к болезням в культуры — это непрерывная борьба за то, чтобы оставаться на шаг впереди новых штаммов болезней. Эта новая техника значительно сокращает время и стоимость выделения генов-кандидатов на устойчивость и имеет большой потенциал для применения к другим желательным признакам у картофеля и других культур».

Доктор Мэтт Кларк, руководитель проекта в TGAC: «Наши культивируемые картофель и томаты очень восприимчивы к фитофторозу, поскольку тысячи лет селекции привели к огромной потере генетического разнообразия. Однако у близкородственных диких видов можно найти естественную устойчивость к таким патогенам. Эта техника ускоряет процесс, и мы надеемся, что она поможет сократить потери урожая от болезней».

Статья будет опубликована в журнале Nature Biotechnology 25 апреля 2016 года вместе с двумя другими работами, посвященными поиску новых генов устойчивости к ржавчине сои (д-р Питер Ван Эссе, TSL) и стеблевой ржавчине пшеницы (д-р Бранде Вульфф, Центр Джона Иннеса).