Poszukiwanie genów zwiększających odporność roślin na choroby
Zdrowie roślin jest niezbędnym elementem bezpieczeństwa żywnościowego, ale choroby roślin, które są podstawą naszego wyżywienia, powodują ogromne straty w uprawach, dochodzące nawet do 30 % plonów. Na tkanki roślinne nadziemnych części roślin można aplikować środki chemiczne, ale ochrona systemów korzeniowych jest znacznie bardziej skomplikowana. Naukowcy skupiają się głównie na selektywnej hodowli roślin odpornych na określone patogeny lub zmodyfikowanych genetycznie. „Problem polega na tym, że patogeny radzą sobie z genami odpowiadającymi za odporność na choroby lub je ignorują”, wyjaśnia Sebastian Schornack, koordynator projektu ACHILLES-HEEL realizowanego dzięki wsparciu Europejskiej Rady ds. Badan Naukowych. Zespół projektu ACHILLES-HEEL zidentyfikował kluczowe procesy zachodzące w roślinach, które patogeny wykorzystują do ich infekowania. „Ta zależność skojarzyła nam się z piętą Achillesa. Jeśli udałoby się wyeliminować te procesy, osłabiłoby to zdolność patogenu do wywoływania chorób”, dodaje Schornack, który na co dzień pracuje na Uniwersytecie w Cambridge będącym gospodarzem projektu. Ponieważ podobne do siebie patogeny prawdopodobnie wykorzystują podobne procesy infekowania roślin, takie podejście może pomóc naukowcom w znalezieniu wszechstronnego rozwiązania problemu chorób dziesiątkujących uprawy. Zespół projektu ACHILLES-HEEL zidentyfikował geny, które po częściowej lub całkowitej manipulacji mogą sprawiać, że rośliny stają się bardziej odporne na infekcję korzeni.
Poszukiwanie idealnego patogenu
Już na początku prac zespół musiał się zmierzyć z pierwszym wyzwaniem: patogeny, które wykorzystują procesy zachodzące w roślinie – w przeciwieństwie do tych, które po prostu zabijają gospodarza – są zazwyczaj przystosowane do konkretnych gospodarzy, co oznacza, że gdyby nawet udało się zidentyfikować procesy umożliwiające infekcję, dotyczyłyby one tylko tego jednego patogenu. Przykładem są głownie kukurydzy, rdza grochu i mączniak prawdziwy atakujący jęczmień. „Musieliśmy znaleźć patogen, który infekuje szereg różnych, niepowiązanych ze sobą roślin, i jednocześnie nie zabija ich tkanek. Pozwoliłoby nam to zidentyfikować takie same procesy zachodzące w różnych roślinach, które patogen wykorzystuje i które trzeba wyciszyć”, tłumaczy Schornack. Idealnym kandydatem do badań okazał się lęgniowiec z gatunku Phytophthora palmivora, który kolonizuje korzenie i liście roślin strączkowych, jęczmienia, pszenicy i, jak odkrył zespół, wątrobowców. Po stworzeniu oprogramowania do analizy danych naukowcy przeprowadzili testy polegające na infekowaniu patogenem korzeni i liści, w wyniku których udało im się zidentyfikować dwa geny w roślinie strączkowej (Medicago truncatula) zdolne do manipulowania procesami roślinnymi wykorzystywanymi przez patogen. Jeden z nich, RAD1, okazał się być nieodpowiedni, ponieważ zakłócał kolonizację rośliny przez pożyteczne grzyby, ale drugi, API, jest obecnie testowany w jęczmieniu. „W jęczmieniu są trzy takie geny. Wyciszamy je po kolei, żeby sprawdzić, czy rośliny stają się bardziej odporne na zainfekowanie korzenia patogenem Phytophthora palmivora. Pierwsze wyniki naszych prac wyglądają obiecująco, ale musimy jeszcze zbadać wpływ wyciszania genów na pożyteczne grzyby”, mówi Schornack. Do tego celu zespół używa opracowanego przez siebie narzędzia opartego na sztucznej inteligencji nazwanego AMFinder, które wykrywa strzępki grzybów wewnątrz korzeni. Naukowcy natrafili też na zaskakujące odkrycie: w roślinach, których korzenie są odporne na patogeny, pędy nie są odporne i vice versa. „Kolonizacja przez mikroorganizmy nitkowate jest specyficzna dla danej części rośliny, więc wyciszenie genu w całej roślinie może nie mieć takiego samego wpływu na jej wszystkie części”, zauważa Schornack.
Rosnący potencjał
Tradycyjnie hodowla roślin odpornych na patogeny polega na wprowadzaniu genów odporności zwanych genami R. Jest to jednak czasochłonne i zwykle zapewnia roślinie odporność tylko na określony patogen, z kolei szybsze podejścia transgeniczne napotykają na bariery prawne w wielu krajach UE. Jeśli prace naukowców z projektu ACHILLES-HEEL okażą się skuteczne, zidentyfikowane geny będą mogły być wykorzystywane przez hodowców najpopularniejszych roślin, co pomoże zabezpieczyć dostawy żywności. Rezultaty projektu mogą też potencjalnie przydać się w uprawach komercyjnych, typowych dla krajów rozwijających się, w których rośliny atakowane są przez Phytophthora palmivora, takich jak palma olejowa, kakao, kokos, drzewa kauczukowe i papaja. „Jako że strategia stosowana przez Phytophthora palmivora do infekowania roślin jest podobna do innych patogenów, wyniki naszych prac będą prawdopodobnie istotne dla innych mikroorganizmów wywołujących choroby upraw, takich jak Pythium, rdzowce i Fusarium”, podsumowuje Schornack. Materiały opublikowane przez naukowców, zawierające opis cyklu życia tego patogenu i transkryptomu infekcji korzeni, pomogą innym badaczom identyfikować i charakteryzować Phytophthora palmivora.
Słowa kluczowe
ACHILLES-HEEL, uprawy, patogen, choroba, infekcja, gen, odporność, hodowla, grzyby, API, roślina, korzenie, tkanka
