эксклюзив
Болезнь желтых листьев — основная проблема для производителей сахарного тростника в Бразилии. Она вызывается вирусом, устойчивым к термической обработке. Зараженную плантацию можно спасти, только выращивая саженцы в лаборатории и затем их высаживать, что является трудоемким процессом, требующим специализированной инфраструктуры и персонала. По мнению группы ученых, которые долгое время изучали эту проблему, наиболее эффективным способом борьбы с болезнью является разработка сортов, устойчивых к вирусу желтых листьев сахарного тростника. Это цель проекта, который проводится при поддержке FAPESP, сообщает phys.org.
Ученые государственного университета Сан-Паулу и политехнического института ЭСПОЛА в Эквадоре провели исследование, а результаты опубликовали в журнале Scientific Reports. Эксперты использовали достижения генетики, машинное обучение для уточнения и ускорения поиска молекулярных маркеров устойчивости к болезни.
Группа обнаружила, что устойчивые сорта в основном представляют собой разновидности так называемого энергетического тростника с более высоким содержанием клетчатки и меньшим содержанием сахара. Следовательно, такие растения наиболее подходят для производства целлюлозного этанола, хотя по крайней мере один из них подходит для производства сахара или обычного этанола.
Исследователи оценили 97 генотипов сахарного тростника, включая дикие зародыши сахарного тростника лекарственного, S. spontaneum и S. robustum, традиционные клоны сахарного и энергетического тростника и коммерческие сорта, разработанные бразильскими селекционными программами.
«Мы проанализировали устойчивость каждого из этих сортов к заболеванию желтыми листьями. Цель состояла в том, чтобы связать устойчивость к болезням с генетическими особенностями. Мы использовали несколько различных молекулярных маркеров, которые представляют собой вариации ДНК, используя секвенирование следующего поколения для доступа к этой информации», — сказал Рикардо Пимента, докторант-исследователь Центра молекулярной биологии и генной инженерии UNICAMP (CBMEG).
Сорта были отобраны в рамках программы селекции тростника IAC. Большинство из них были частью программы, но были также образцы из Межуниверситетской сети по развитию сахарной и этанольной промышленности (RIDESA) и Центра технологий сахарного тростника (CTC).
Симптомы болезни желтых листьев сахарного тростника обычно проявляются на более поздних стадиях развития растения. Основным симптомом является интенсивное пожелтение середины листьев. Болезнь изменяет эффективность фотосинтеза, а также метаболизм и доставку сахарозы в клетки растений, при этом ухудшается их рост и урожайность.
По словам Пименты, в статье описывается экспериментальная процедура, которая никогда раньше не предпринималась.
«Вирус желтых листьев передается сахарной тлей Melanaphis sacchari», — сказал он. – «Команда МАК посадила экспериментальные участки и в то же время вырастила тлю на растениях, уже зараженных вирусом. Затем тлю выпускали на незараженные плантации и контролировали контролируемый процесс прививки и заражения. В предыдущих исследованиях использовался аналогичный подход, за исключением того, что наши предшественники посадили тростник и оставили его зараженным естественным путем, так сказать, в менее контролируемом процессе прививки».
Вирусную нагрузку измеряли методом обратной транскрипции — количественной полимеразной цепной реакции (RT-qPCR).
«Мы использовали ПЦР для количественного определения вируса во всем наборе проанализированных сортов тростника», — пояснил Пимента. Тяжесть заболевания оценивалась по интенсивности пожелтения листьев и другим симптомам, которые часто могут быть неразличимыми.
Чтобы установить связи между устойчивостью к болезням и генетическими признаками, исследователи использовали геномные методы, машинное обучение (процедура искусственного интеллекта, основанная на распознавании образов), отбор признаков и методы ассоциации маркерных признаков.
«То, что мы обычно находим в исследованиях геномных ассоциаций, — это маркеры, которые сильно влияют на фенотип [наблюдаемые характеристики]. Это проблема, потому что вы не можете найти другие, которые оказывают меньшее влияние на фенотип. Выбор признаков фиксирует маркеры, которые влияют на фенотип в более узком смысле, поэтому мы использовали эту технику для более эффективного скрининга молекулярных маркеров», — сказал Александр Хильд Аоно, также исследователь CBMEG.
Машинное обучение использовалось для построения модели, которая предсказывала, является ли сорт устойчивым или восприимчивым к вирусу, учитывая указанные генетические маркеры. «Для этого алгоритмы сначала должны оценить маркеры как «очень важные» или «менее значимые» для целей прогнозирования. Поэтому вопрос заключался в следующем: если система высоко оценивает определенные маркеры, влияют ли они также на фенотип? Наше расследование подтвердило, что это действительно так», — сказал Аоно. «Мы объединили различные методологии и преуспели в фильтрации и отборе маркеров, обладающих наибольшим потенциалом для непосредственного влияния на конфигурацию заболевания, даже если они могут быть не особенно заметными [с точки зрения влияния на фенотип]».
Ученые сравнили методологии и продемонстрировали эффективность и необходимость использования более совершенного статистического подхода. Ничто в литературе не указывает на то, что кто-либо когда-либо проводил такой анализ или выращивал тлю, заражал растения, а затем измерял вирусную нагрузку с помощью количественной ПЦР. Полученные результаты служат основой и руководством для будущих исследований, способствуя лучшему пониманию молекулярного механизма, связанного с этим заболеванием.
При этом ученые выяснили, что действительно устойчивые растения, которые не проявляют симптомов или не накапливают вирусную нагрузку, составляют небольшую долю от общего числа. Таким образом результаты исследования помогут определить к патогену восприимчивые сорта, а также устойчивые сорта, которые накапливают вирусную нагрузку без проявления симптомов и могут стать резервуаром вируса.
Многие устойчивые сорта являются представителями энергетического тростника. «У них есть недавний «дикий» предок, который более устойчив к болезням, так что этот результат не является неожиданностью. Но мы также обнаружили большое число коммерческих сортов, которые оказались устойчивыми, и они более интересны. Один из них, IACSP04-6007, оказался настолько многообещающим, что его только что запустила селекционная программа IAC», — сказал Пимента.
Фото — ru.dreamstime.com
Интересна тема? Подпишитесь на персональные новости в Я.ДЗЕН | Pulse.Mail.ru | Я.Новости | Google.Новости.
