У зерновых культур защита от болезней, вызванных грибами-паразитами, может быть двоякой. С одной стороны, это синтез растением специфического средства, направленного на избавление от определенного вида паразита. Такой метод борьбы высокоэффективен, но недолговечен. С другой стороны, растение употребляет и долговременную защиту, более стабильную, но не абсолютную: часть растений всё же заражается и отмирает
У зерновых культур защита от болезней, вызванных грибами-паразитами, может быть двоякой. С одной стороны, это синтез растением специфического средства, направленного на избавление от определенного вида паразита. Такой метод борьбы высокоэффективен, но недолговечен. С другой стороны, растение употребляет и долговременную защиту, более стабильную, но не абсолютную: часть растений всё же заражается и отмирает. Генетики изучили структуру и функции 2-ух генов, которые участвуют в стабильной защите растений от ржавчинных грибов. Оказалось, что эти гены кодируют мембранные белки, которые делают сигнальные и транспортные функции. Может быть, гриб-паразит не в состоянии обойти защиту, организованную растением в основных точках метаболизма, хотя возможны и другие объяснения деяния такой защиты. Исследование устройств идентичной стабильной защиты сулит растениеводству исключительные выгоды.
Поначалу XX века Н. И. Вавилов начал свою научную деятельность с исследования устойчивых к заболеваниям видов культурных пшениц. Это была задача чрезвычайной значимости, так как от фитопаразитов, а конкретно ржавчины и мучнистой росы, погибает около 30% урожаев пшеницы. Эти заболевания вызываются грибами, их распространение в другие годы приводит к эпифитотиям (по аналогии с эпизоотиями и эпидемиями), когда погибает сбор целых регионов. Вавилов предлагал выявлять природные устойчивые сорта и скрещивать их с культурными, высокопродуктивными растениями. В поисках резистентных видов Вавилов предпринял несколько экспедиций в Центральную Азию, и в этих экспедициях, как мы помним, обусловил принципы очагов происхождения культурных растений и законы гомологических рядов. Там же, в очагах происхождения, нашлись и резистентные культурные, и дикие сорта. Далее последовала селекционная работа на опытных полях, и в конечном итоге удалось вывести целый ряд устойчивых к заболеваниям видов культурных растений.
За 100 лет целенаправленной генетической работы по выведению резистентных видов культурных растений не поменялась постановка задачи и не снизилась ее актуальность. Зато стали совсем другими методы работы генетиков. Точные чтения генетических карт выявили неограниченное количество генов, ответственных за устойчивость к заболеваниям: сейчас понятно около 100 генов, участвующих в защите растения от ржавчинных грибов. Изучаются биохимические механизмы, ответственные за устойчивость, получена богатая информацию о самом процессе взаимодействия в системе «паразит–хозяин» у культурных растений.
Вся эта информация позволила различить два типа стойкости растений к паразитам: вертикальную и горизонтальную. Вертикальная устойчивость базирована на точечном механизме защиты, когда растение прицельно разрушает тот или другой белок гриба-паразита. Эта защита получила название «ген-на-ген» (gene-for-gene), другими словами против 1-го гена паразита работает один защитный ген обладателя. Ясно, что этим способом растение определенной полосы или сорта может защититься от 1-го определенного заболевания. Такая защита обычно очень эффективна, но... недолговечна. Потому что стоит паразиту чуть-чуть поменять свой ген, как белок обладателя уже окончит его узнавать, и средство защиты оказывается недейственным. Такая вот гонка в поисках «абсолютного оружия». Генетик в данном случае стоит на стороне культурных растений и должен всё время настраивать генетическую защиту: отыскивать или конструировать новые гены, вести селекцию или внедрять сконструированные действующие гены в геном растений. Всё это кропотливая, долгая и дорогостоящая работа.
Но есть другой тип стойкости к заболеваниям — горизонтальный. И сами растения пользуются непосредственно этим способом, так как он более надежен и стабилен и работает против нескольких вредителей. Ведь, несмотря на тысячелетия своей вредной деятельности, ржавчинные грибы всё же не истребили культурные пшеницы. Стабильная защита обеспечивается множеством генов, хотя этот комплекс не означает стопроцентно здоровых урожаев. Определенная часть листьев всё же поражается грибом, какая-то часть растений всё же отмирает. Поэтому этот тип защиты называется еще количественным. На сей день известен ряд генов, принимающих роль в горизонтальной резистентности. Среди их гены отлично известного семейства Lr (leaf rust — листовая ржавчина), которые работают как у проростков, так и у взрослых растений. Количественную, или горизонтальную, устойчивость обеспечивают также гены Yr (yellow rust — желтая ржавчина), Pm (powdery mildew — мучнистая роса) и др. Механизм количественной защиты пока неясен. Актуальность его выяснения очевидна.
Выяснению механизма количественной защиты посвящены две работы в последнем выпуске журнала Science. Одна из их, выполненная учеными из США и Израиля под управлением Даолин Фу (Daolin Fu) и Хорхе Дубковски (Jorge Dubcovsky) с кафедры ботаники Калифорнийского института в Дэвисе, дает информацию о работе гена из семейства Yr. Другая, выполненная международной командой из Цюрихского института (Швейцария), научно-промышленной исследовательской организации CSIRO Plant Industry (Канберра, Австралия) и Международного центра по разведению кукурузы и пшеницы (Мехико, Мексика), открывает механизм работы 1-го гена из семейства Lr.
Ген Lr34, ставший объектом внимания швейцарско-австралийско-мексиканской командой генетиков, экспрессируется и у зародышей, и у взрослых растений в листьях. Но в основном его экспрессия в листьях взрослых растений обеспечивает устойчивость от ржавчинных грибов. Генетики изучили нуклеотидную последовательность и структуру локуса, к которому принадлежит этот ген, и выдвинули стопроцентно приемлемую гипотезу о его работе в клетке. Они представили, что ген Lr34 кодирует белок, который транспортирует через мембрану различные молекулы. Похожий белок (PEN3) имеется и у известного арабидопсиса. PEN3, так же как и LR34, делает функцию транспорта через мембрану и присваивает резистентность к возбудителю мучнистой росы. У арабидопсиса при заражении мучнистой росой PEN3 понижает транспорт растительных метаболитов.
Количественный локус Yr36, исследованный параллельно американо-израильской группой ботаников, регулирует в растительной клетке транспорт фосфолипидов через мембраны. Это означает, что данный локус делает сигнальные функции и важен для опознания вредных паразитов, контактирующих с клеткой. Ведь своевременное определение паразита приводит к быстрому иммунному ответу и улучшению защитных характеристик сорта.
Почему паразиты не делают лучше методы обмана генов горизонтальной защиты? Во-1-х, горизонтальная защита может основываться на коллективной работе многих локусов, паразитам тяжело одурачить слету всех. Именно поэтому селекционеры употребляют новые сочетания этих генов для поддержания стойкости. (Кстати, само по себе наличие гена Lr34 у растения может и не означать резистентности сорта к заболеванию.) Во-2-х, стабильная защита может быть нацелена на так принципный ген у паразита, что паразиту проще пожертвовать частью вирулентности, чем изменять этот главный ген. В-3-х, растение может использовать такие способы защиты, которые не снижают приспособленности и выживаемости паразита. Другими словами, эти способы только наращивают сопротивляемость заболеванию и болезнь наносит растению меньший вред.
Ясно, что надежные и долгие способы борьбы с фитозаболеваниями должны эксплуатировать эти последние сценарии, а не ставшие уже обыкновенными средства «ген-на-ген». А для этого необходимо учить механизмы горизонтальной стойкости, благо, как показали последние исследования, средства для этого у современной науки имеются.
1) Simon G. Krattinger, Evans S. Lagudah, Wolfgang Spielmeyer, Ravi P. Singh, Julio Huerta-Espino, Helen McFadden, Eligio Bossolini, Liselotte L. Selter, Beat Keller. A Putative ABC Transporter Confers Durable Resistance to Multiple Fungal Pathogens in Wheat // Science. V. 323. P. 1360–1363. 6 March 2009.
2) Daolin Fu, Cristobal Uauy, Assaf Distelfeld, Ann Blechl, Lynn Epstein, Xianming Chen, Hanan Sela, Tzion Fahima, Jorge Dubcovsky. A Kinase-START Gene Confers Temperature-Dependent Resistance to Wheat Stripe Rust // Science. V. 323. P. 1357–1360. 6 March 2009.
(Елена Наймарк elementy.ru)
Похожие статьи:
