Ученые из Красноярска разрабатывают новые сорта пшеницы, стойкие к фузариозу колоса, вызванному грибами рода Fusarium. Разработка таких сортов с помощью клеточной биотехнологии поможет увеличить продовольственную безопасность и стабильность сельского хозяйства. Аграрная наука Евро-Северо-Востока».
Культура каллусной пшеницы. Фото Анастасии Тамаровской / ФИЦ КНЦ СО РАН
Фузариоз — одно из самых опасных заболеваний пшеницы, вызывающее поражение зерна грибковыми токсинами и делающее его несъедобным. Ежегодно регистрируются вспышки заболевания в разных районах России. В Красноярском крае зараженность зерна грибом вида… Fusarium sporotrichioidesЗаболевание, вызванное фузариозом, поражает до 70% растений. Эта проблема особенно актуальна в связи с трудностями в борьбе с болезнью.
Ученые Красноярского научного центра СО РАН выводят сорта яровой мягкой пшеницы, устойчивые к токсинам гриба, вызывающего фузариоз. Для этого применяют подходы клеточной биотехнологии. Работа ведется с каллусными культурами — клетками растений, которые растут в лабораторных условиях на питательных средах. Исследование проводят с каллусными культурами яровой мягкой пшеницы сорта Красноярская 12, который востребован в Восточной Сибири. Для отбора наиболее выносливых клеток в их питательные среды добавляют токсичные фильтраты культуральных жидкостей грибов. Fusarium sporotrichioidesМетод выделяет клеточные линии, устойчивые к действию грибковых токсинов, что открывает путь для создания новых сортов пшеницы.
Отбор клеток основывался на способности сохранять деление при воздействии токсина. Специалисты зафиксировали замедление роста каллусов при высоких концентрациях токсинов, где развитие остановилось у большей части клеток. Через 42 дня ученые обнаружили, что каллусные культуры, несмотря на высокие концентрации токсинов, продолжают развиваться и восстанавливаются после первоначальной гибели клеток. Образование областей с хлоропластами, отвечающими за фотосинтез, также активизировалось, несмотря на токсическое воздействие. В процессе культивирования даже на средах с 40% содержанием токсинов часть каллусов продолжала расти, что позволило отобрать наиболее устойчивые линии.
Важным критерием для оценки эффективности отбора устойчивых линий являлся некроз в исследуемой клеточной культуре под действием токсинов. Некроз начинал развиваться к концу второй недели, его признаками считалась оранжево-коричневая окраска тканей и изменение цвета среды вокруг клеток. Однако с течением времени в зонах некроза появились активно делящиеся клетки. Ученые предположили, что возобновление роста культуры связано с деградацией токсинов в питательной среде со временем. Это позволило клеткам, сохранившим жизнеспособность, снова начать делиться. Это говорит о том, что клетки, сохранившие жизнеспособность, прошли селективный отбор, выжив при высоком уровне стресса, и выработали устойчивость к токсину.
Чтобы продолжил эксперимент, ученые пересадили выжившие клетки в новую среду с токсином. Цель состояла в том, чтобы поддерживать уровень стрессового давления на клетки с помощью новой среды и токсина. После пересадки в свежую среду активный рост клеток сохранился. Некроз в тканях также не ускорился. Напротив, пересадка в новую среду замедлила этот процесс. Специалисты объяснили это повышением концентрации питательных веществ в среде и увеличением способности клеток противостоять токсическому воздействию.
К концу третьей недели эксперимента на первичных средах признаки некроза у культур появляются из-за старения клеток. В результате без смены питательной среды отобранные по признаку устойчивости к фильтрату культуральной жидкости гриба клеточные линии могут быть ошибочно отбракованы из-за некроза вследствие старения культуры. Работа показывает важность оптимальной продолжительности культивирования для успешного отбора клеточных линий. Это может стать важным шагом в создании новых сортов пшеницы, устойчивых к грибковым заболеваниям. В дальнейшем планируется увеличить селектирующее давление и процент содержания токсина. Следует учесть, что количество полученных таким образом устойчивых линий снизится, однако будут отбираться наиболее невосприимчивые к заболеванию варианты. Разработка новых сортов с помощью клеточной биотехнологии принесет пользу продовольственной безопасности и устойчивости сельского хозяйства. Эти исследования открывают новые возможности для селекции культур, увеличивая их сопротивляемость болезням и стрессам. Особенно это актуально для регионов, где часто случаются эпифитии. Внедрение таких методов в программы селекции позволит значительно снизить потери урожая и повысить качество зерна. — отмечает Валентина Ступко, кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского института сельского хозяйства КНЦ СО РАН.
Информация и фотографии предоставил Федеральный исследовательский центр «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук».