Колорадский жук - основной вредитель в Северной Америке, который может снизить урожайность картофеля на 30-50%, если его не остановить. Исторически контроль в значительной степени зависел от использования пестицидов, но сообщалось о неэффективности химического контроля против колорадского жука для большинства основных классов синтетических инсектицидов.
с 1980-х годов нам стало известно, что Solanum chacoense, дикий вид из Аргентины, обладал высокой устойчивостью к колорадскому жуку. Селекционеры из США и Канады пытались вывести устойчивые к жукам разновидности, но было трудно передать сильную устойчивость, которую мы наблюдаем у диких родственников, в коммерческие разновидности.
Университет штата Мичиган пошел по стопам предыдущих исследователей картофеля и уже более десяти лет работает над этой проблемой, используя инструменты исследования, оптимизированные для картофеля, такие как геномика и редактирование генов. Сочетание этих инструментов с новой селекционной стратегией, упрощающей селекцию картофеля, позволило нам добиться успехов, которые сделали устойчивые к жукам сорта доступными.
Дикие родственники картофеля, естественно, производят свои собственные инсектицидные соединения, чтобы держать в страхе таких вредителей, как колорадский жук. Различные дикие виды производят уникальные версии этих соединений, известные как гликоалкалоиды. Некоторые из них настолько эффективны, что вызывают гибель личинок колорадского картофельного жука и резко сокращают кормление взрослых особей.
Производство гликоалкалоидов в листьях картофеля полезно для отпугивания голодных жуков, но потребление большого количества гликоалкалоидов может вызвать неблагоприятные последствия для здоровья человека. По этой причине профессор Дэвид Душ и аспирантка Натали Кайзер из Университета штата Мичиган работают над созданием разновидностей картофеля, которые синтезируют мощный гликоалкалоид под названием лептин только в листьях картофеля.
Сравнивая химический профиль сотен отдельных видов картофеля с их устойчивостью к колорадскому жуку в полевых условиях, Кайзер также обнаружил химические признаки, которые могут предсказать продуктивность поля. Это означает, что селекционеры могут отбирать устойчивый картофель с помощью простого химического измерения, вместо того, чтобы проводить полевые испытания.
Исследователи уже пытались внедрить производство сильнодействующих лептингликоалкалоидов в сортах картофеля и столкнулись с рядом препятствий. Во-первых, существует большое количество генов, контролирующих типы и количество гликоалкалоидов, которые будет производить любой данный сорт картофеля. Получение точной комбинации генов имеет решающее значение. Чтобы лучше отслеживать всех генетических игроков, лаборатория Душа секвенировала весь геном этого дикого картофеля, устойчивого к колорадскому жуку, и картофеля, восприимчивого к этому вредителю. Затем Кайзер определил ключевые изменения на уровне ДНК между картофелем, которые объяснили различия в их химическом профиле и привлекательности колорадского жука.
Теперь, когда мы знаем набор генов, необходимых для создания устойчивости растения картофеля, следующей задачей является перенос всех генов в сорт картофеля с другими хорошими характеристиками, такими как высокая урожайность и желаемый внешний вид клубней, путем перекрестного опыления. Этот процесс усложняется тем, что сорта картофеля имеют по четыре копии каждого гена. Чтобы усложнить ситуацию, каждая из четырех копий может быть другой версией гена. Трудно убедиться, что все четыре копии интересующих нас генов являются желаемой копией, необходимой для устойчивости.
Одна из стратегий решения этой проблемы - работать с картофелем, который, естественно, имеет только две копии каждого гена, которые известны как диплоидный картофель. Многие дикие родственники картофеля, в том числе устойчивые к колорадским жукам типы, которые продуцируют лептины, являются диплоидами. Благодаря самоопылению компания Kaiser смогла вывести инбредные диплоидные линии с сильной устойчивостью к колорадскому жуку. Эти диплоидные инбредные линии упрощают процесс разведения, потому что признаки воспроизводятся истинно, как два родителя в гибриде кукурузы. Нам легче отслеживать, как наследуются гены, влияющие на устойчивость жуков, потому что мы знаем копию каждого гена, который они передадут своему потомству.
Интересно, что это первые инбредные линии, отобранные по определенному признаку устойчивости у картофеля! Мы скрестили эти линии с нашими лучшими линиями разведения. В 2021 году команда МГУ проверит потомство этих скрещиваний в полевых условиях и постарается выявить особей с хорошими характеристиками клубней в сочетании с устойчивостью к жукам. Работая с инбредными линиями, мы также можем начать сочетать устойчивость жуков с другими характеристиками, такими как устойчивость к болезням.
Кроме того, в этой более простой генетической системе лаборатория Душа использует современные генетические инструменты, такие как редактирование генома. Кайзер использует редактирование генома, чтобы выборочно отключать гены по одному или в комбинации, чтобы определить, необходимы ли они для защиты растений. Важно отметить, что этот метод отключает гены, которые естественным образом присутствуют в картофеле, и никакие чужеродные гены не вводятся.
Поскольку колорадский жук известен своей способностью быстро преодолевать даже самые ядовитые пестициды, Душ рекомендует, чтобы эта устойчивость растения-хозяина была реализована в схеме IPM, чтобы продлить срок службы этого ценного средства.
- Дэйв Доуч, доктор философии, является профессором факультета наук о растениях, почвах и микробах Мичиганского государственного университета. Более 30 лет руководит программой селекции и генетики картофеля МГУ. Натали Кайзер - доктор философии. кандидат кафедры растениеводства, почвы и микробиологии МГУ, изучает селекцию и генетику картофеля.
