Исследователи из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне и Службы сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США, включая Ану Сабальос, обнаружили область генома, связанную с толерантностью к флумиоксазину в стручковой фасоли. Эта область, по-видимому, действует как главный переключатель устойчивости к другим формам экологического стресса. Кредит: Иллинойсский университет в Урбане-Шампейне
Водяная конопля является неприятностью для любого производителя сельскохозяйственных культур, но на полях с фасолью сегменты стебля сорняка могут отламываться во время сбора урожая, загрязняя урожай несъедобными похожими «стручками». Однако фасоль страдает от многих гербицидов, зарегистрированных для водяной конопли, оставляя производителям мало химических решений.
Теперь новое исследование, проведенное Университетом Иллинойса в Урбане-Шампейне и Службой сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США, выявило зародышевую плазму фасоли, которая может противостоять флумиоксазину, почвенному гербициду, эффективному против водяной конопли. Кроме того, геномная область, отвечающая за эту устойчивость, по-видимому, действует как главный переключатель, контролирующий множественные гены устойчивости к стрессу.
Статья «Картирование толерантности к флумиоксазину в панели разнообразия стручковой фасоли привело к открытию главного геномного региона, контролирующего множественные гены устойчивости к стрессу» опубликована в журнале Frontiers in Plant Science.
«Устойчивость к стрессу — это оркестровка множества различных генов в ответ на различные стимулы окружающей среды, поэтому попытки повысить общую устойчивость к стрессу могут быть сложными и трудными для селекционеров растений. Но теперь мы думаем, что селекционеры могут манипулировать этим одним геном и контролировать сотни других. Это действительно интересно», — сказала ведущий автор исследования Ана Сабаллос, штатный научный сотрудник ORISE в ARS и научный сотрудник кафедры наук о растениях, входящей в Колледж сельскохозяйственных, потребительских и экологических наук в Иллинойсе.
Сабаллос и ее коллеги использовали панель разнообразия из 377 генотипов стручковой фасоли, представляющую столетие улучшения урожая. Команда посадила семена из панели разнообразия, а затем обработала почву флумиоксазином на следующий день.
Хотя гербицид снизил плотность растений на 84 % и уменьшил биомассу каждого растения почти на 60 %, исследователи были рады обнаружить, что некоторые генотипы выжили практически невредимыми.
Когда они проанализировали внутреннюю работу всех 377 видов фасоли, типов, исследователи обнаружили геномный участок на хромосоме 2, который явно связан с толерантностью к флумиоксазину.
«Это было похоже на переключатель «вкл.-выкл.»: выжить или нет», — сказал старший автор исследования Марти Уильямс, эколог ARS и доцент кафедры растениеводства.
Такого четкого переключения можно было бы ожидать, если бы специфическая целевая ферментная мишень гербицида (протопорфириногеноксидаза, PPO) мутировала в толерантных растениях. В этом случае — явление, известное как устойчивость к целевому участку — гербицид не мог связываться с мутировавшим ферментом PPO, чтобы изменить его активность. Но исследователи не нашли ген PPO в области генома, связанной с толерантностью к гербициду.
«Обычно резистентность целевого участка — это то, что происходит, когда вы видите эту периодически возникающую реакцию. Поэтому было удивительно, что область, связанная с толерантностью, не оказалась рядом ни с одним из известных мест расположения фермента PPO», — сказал Сабальос.
«Мы также искали ферменты, которые, как мы ожидали, могут детоксифицировать гербицид, включая класс ферментов, называемых P450, но мы не нашли генов ни для одного из них. Нам пришлось использовать другой подход».
Затем команда рассмотрела экспрессию генов в толерантных и чувствительных растениях. Хотя они не нашли самих генов P450 в геномной области, эти ферменты были выражены с более высокой скоростью в толерантных растениях. Сабаллос считает, что некий загадочный элемент — возможно, фактор транскрипции — в геномной области толерантных растений может контролировать активацию генов P450 по всему остальной части генома.
Определенные антиоксиданты также были выражены с более высокой скоростью в толерантных растениях, в то время как гены, связанные с апоптозом — процессом, который Сабаллос называет «самоубийством клетки», — были выражены с более низкой скоростью.
Исследователи говорят, что общая картина экспрессии генов не просто объясняет толерантность к флумиоксазину; она может влиять на реакцию растений на множество типов экологического стресса.
«В конечном итоге мы решили определить, может ли флумиоксазин избирательно контролировать водяную коноплю в стручковой фасоли. К сожалению, у большинства сортов стручковой фасоли недостаточная толерантность к гербициду», — сказал Уильямс.
«Однако существование единого элемента, способного регулировать экспрессию большого количества генов, участвующих в устойчивости к стрессу, является захватывающим и представляет большой интерес для фундаментальной науки и прикладной селекции сельскохозяйственных культур».
Дополнительная информация: Ана И. Сабаллос и др., Картирование толерантности к флумиоксазину в панели разнообразия стручковой фасоли приводит к открытию главной геномной области, контролирующей множественные гены устойчивости к стрессу, Frontiers in Plant Science (2024). DOI: 10.3389/fpls.2024.1404889
Информация о журнале: Frontiers in Plant Science
Предоставлено Университетом Иллинойса в Урбане-Шампейне
