Istraživači su klonirali gene otpornosti na rđu pšenice Lr9 i Sr43 i identifikovali da oni kodiraju neobične fuzione proteine kinaze. Istraživanje, objavljeno u Nature Genetics, omogućiće nove opcije za rešavanje otpornosti na bolesti u hlebnoj pšenici.
Svake godine se oko 20% globalne proizvodnje pšenice izgubi zbog štetočina i bolesti, što je ekvivalent 3.500 brodova za žito. Oplemenjivanje otpornih sorti jedan je od najekonomičnijih i ekološki najprihvatljivijih načina za rešavanje problema.
Divlji srodnici pšenice obezbeđuju rezervoar genetske raznovrsnosti za poboljšanje useva. Gen za otpornost na rđu Lr9, na primer, prvobitno je identifikovan u divljoj kozjoj travi (Aegilops umbellulata). U pionirskom eksperimentu sprovedenom 1950-ih, dr Ernest Sirs je uspeo da prenese mali segment hromozoma Aegilops koji nosi Lr9 u hlebnu pšenicu, pokazujući da je moguće stabilno ukrštati male segmente hromozoma od udaljenih divljih rođaka.
Skoro 40% gena otpornosti koji se danas nalaze u hlebnoj pšenici ukršteno je u pšenicu od divljih srodnika u poslednjih 60 godina. Sorte pšenice koje nose Lr9 puštene su u prodaju kasnih 1960-ih, a Lr9 je i dalje efikasan u mnogim oblastima uzgoja pšenice. Međutim, ova vrsta uzgoja može dovesti do zajedničkog uvođenja nepovoljnih verzija drugih gena iz divljeg srodnika, poznatog kao „povlačenje veze“.
Istraživač KAUST-a Jajun Vang koristio je sekvenciranje dugog čitanja da bi sekvencirao genome sorte hlebne pšenice koja sadrži Lr9 i Ae. umbellulata. Poređenje dva genoma omogućilo je potpunu rekonstrukciju ove istorijske translokacije. „Otkrili smo da je Lr9 unet u pšenicu zajedno sa oko 536 drugih gena iz Aegilops umbellulata. Štaviše, proces je doveo do brisanja malog fragmenta genoma pšenice koji sadrži 87 gena“, kaže Vang.
Slično Lr9, gen otpornosti na rđu na stabljici Sr43 dolazi iz divlje visoke pšenične trave (Thinopirum elongatum).
Dva tima predvođena Sajmonom Kratingerom i Brandeom Vulfom klonirali su Lr9 i Sr43, respektivno, generišući mutante i upoređujući njihovu sekvencu sa roditeljskim genomima. Saznajte kako se naučnici KAUST-a bave jednom od najgorih bolesti koje pogađaju pšenicu na globalnom nivou. Kredit: © 2023 KAUST; Anastasija Serin.
„Klonirani geni sada mogu da se koriste za projektovanje linija pšenice hleba bez povlačenja veze. Što je još važnije, geni se mogu kombinovati sa drugim kloniranim genima otpornosti na rđu u višegenske grupe da bi se stvorile linije sa superiornom i trajnijom otpornošću“, kaže Guotai Iu, vodeći istraživač na projektu Sr43.
Da bi klonirao Lr9, Vang je razvio novu metodu pod nazivom MutIsoSek zasnovanu na sekvenciranju mRNA, a ne na genomskoj DNK. Kombinuje sekvencioniranje mRNK dugog čitanja iz roditeljskih linija divljeg tipa i sekvencioniranje mRNK sa kratkim čitanjem mutantnih biljaka da bi se identifikovali geni kandidati. U poređenju sa drugim metodama kloniranja gena zasnovanim na sekvenciranju DNK, MutIsoSek omogućava jeftinije i brže kloniranje uzročnih gena bez zamornog genetskog mapiranja, a metoda se lako može primeniti u bilo kojoj laboratoriji za osnovnu molekularnu biologiju.
Kloniranje Lr9 i Sr43 takođe je otkrilo da geni kodiraju neobične fuzione proteine kinaze. Pšenične kinaze su se nedavno pojavile kao istaknuti novi igrač uključen u otpornost na bolesti kod pšenice i ječma. Istraživači su kombinovali veliku mutacionu analizu i AlphaFold modeliranje proteina da bi protumačili funkciju proteina.
„Kinaza je uobičajen enzim koji igra važnu ulogu u mnogim ćelijskim procesima i u biljkama i u životinjama, uključujući imunitet“, kaže Kratinger.
„Patogeni luče proteine koji sabotiraju procese domaćina, podmećući domaćina i izazivajući bolest. Naš rad sugeriše da fuzija ovih proteina sa kinazama može omogućiti domaćinu da lakše otkrije prisustvo patogena i pokrene odbrambene odgovore“, dodaje on.
Posebna karakteristika gena Sr43 je da ne pruža dobru otpornost na povišenim temperaturama.
„Kada smo klonirali Sr43, sada možemo da počnemo da otkrivamo molekularni mehanizam njegove temperaturne osetljivosti. Ovo bi nam moglo omogućiti da napravimo verziju otpornu na toplotu koja bi bila bolje prilagođena klimatskim promenama“, kaže Vulf.
