Генетический щит для кукурузы: как ученые КБГУ выводят растения, способные защищаться от болезней
Кукуруза — одна из важнейших зерновых культур в мире, но её путь к нашему столу полон опасностей. Грибковые заболевания, вирусы и бактерии способны уничтожить до 80% урожая, а поражённые початки становятся непригодными для употребления в пищу и на корм скоту. Учёные Института математики и естественных наук Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова (КБГУ) нашли способ ускорить создание сортов кукурузы, способных самостоятельно противостоять болезням. О том, как генетики изучают ДНК растений и помогают аграриям получать экологически чистый урожай, мы поговорили с заведующим кафедрой биологии, геоэкологии и молекулярно-генетических основ живых систем КБГУ, кандидатом биологических наук, доцентом Анзором Паритовым.
Что исследуют ученые?
Фузариозная гниль початков — это настоящий бич для сельского хозяйства. Грибок заражает кукурузу, нанося серьезный экономический ущерб. Чтобы минимизировать обработку полей пестицидами, ученые КБГУ взялись за поиск генов, дающих кукурузе иммунитет к болезням, и селекцию устойчивых линий гибридов.
«Селекция кукурузы на устойчивость к болезням — это сложный многоэтапный процесс, — объясняет Анзор Паритов. — Наша задача — создать сорта, которые смогут противостоять патогенам с минимальными потерями. Это позволяет снизить применение химикатов и сделать производство более безопасным для природы».
Традиционный способ отбора (вырастить растение и посмотреть, заболеет ли оно) очень трудоемок и непредсказуем: слишком сильно влияют погода, почва и другие внешние факторы. Поэтому ученые пошли другим путем — генетическим.
Как проходит эксперимент?
Для исследования взяли 16 линий кукурузы (поколение F6) и четыре контрольных сорта, среди которых был устойчивый образец С430 и восприимчивые стандарты. Задача — понять, какие из этих линий унаследовали гены от устойчивого родителя.
Для этого использовали метод ПЦР-анализа с тремя молекулярными маркерами. Маркеры — это короткие участки ДНК, которые «приклеены» к определенным хромосомам. Если нужный нам маркер передается растению вместе с устойчивостью, значит, рядом с ним находится искомый ген. Это как метка на карте: мы не видим сам клад, но знаем, что он где-то поблизости.
«ПЦР-анализ не позволяет “увидеть” сам ген устойчивости напрямую, — поясняет Анзор Паритов. — Мы анализируем маркеры как индикаторы. Если у растения обнаруживается определенный участок маркера, значит, оно унаследовало нужный участок хромосомы от устойчивого предка».
Результаты: что показал анализ?
Из трех использованных маркеров два — UMC2059 и UMC2013 (они находятся на 10-й хромосоме) — оказались бесполезны в этой работе. Они не показали никаких различий между линиями, то есть были одинаковыми у всех. Это значит, что в данном скрещивании этот участок хромосомы не влияет на устойчивость к гнили или родительские формы имели идентичные аллели.
Зато третий маркер — SSR85 (на 3-й хромосоме) — сработал отлично. Он четко разделил линии на группы: одни несли «защитный» вариант (аллель «+»), другие — нет. Например, линия №14 оказалась полностью «чистой» по этому полезному аллелю, а линии №6 и №11 — смешанными (гетерозиготными).
«Наличие аллеля “+” у устойчивого стандарта С430 и его четкое распределение в линиях F6 доказывает, что маркер SSR85 действительно находится в тесном сцеплении с целевым геном устойчивости, — комментирует Анзор Паритов. — Это означает, что мы можем использовать его как надежный указатель при отборе будущих гибридов».
Однако исследователи столкнулись и с неожиданностью. По законам генетики, распределение аллелей у потомства должно было быть примерно равномерным (4:8:4 по классам). В реальности же получилось резкое искажение — 1:2:13. Это важное открытие.
«Природа как бы “подсказывает” нам, что в этом районе хромосомы могут происходить какие-то процессы отбора, — объясняет ученый. — Возможно, некоторые комбинации генов снижают жизнеспособность пыльцы или зародышей. Это явление требует дальнейшего изучения, но на практике оно означает, что полагаться только на один маркер рискованно».
Что дальше?
Несмотря на загадку с искажением, маркер SSR85 уже доказал свою практическую ценность. Его можно использовать для ускоренной селекции, но только в сочетании с другими маркерами — например, на 2-й хромосоме, где тоже есть локус устойчивости.
«Чтобы внедрять эти маркеры в реальную селекционную практику, нужно перестраховаться, — заключает Анзор Паритов. — Мы будем использовать “комбо-набор” маркеров, чтобы минимизировать ошибки, вызванные естественным кроссинговером (обменом участками хромосом). Только так мы сможем гарантировать, что созданный гибрид действительно будет защищен от фузариоза».
Разработки КБГУ приближают появление «умных» гибридов, которые не требуют обильной химической защиты. Возможно, именно сорта из Кабардино-Балкарии зададут тренд на экологичное земледелие в мире — их гены уже сегодня работают на будущее безопасного продовольствия.