Επιστήμονες έφτιαξαν μια αποδοτική ποικιλία ρυζιού ανθεκτική στις ασθένειες

Το ρύζι είναι μία από τις σημαντικότερες βασικές καλλιέργειες και παρέχει πάνω από το 1/5 των θερμίδων που καταναλώνουν οι άνθρωποι παγκοσμίως. Οι ασθένειες που προκαλούνται από βακτηριακά ή μυκητιακά παθογόνα παρουσιάζουν ένα σημαντικό πρόβλημα και μπορούν να οδηγήσουν στην απώλεια ποσοστού 80% ή και περισσότερο σε μια καλλιέργεια ρυζιού.  Δεκαετίες έρευνας σχετικά με την ανοσολογική αντίδραση των φυτών έχουν εντοπίσει συστατικά που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία φυτών ανθεκτικών σε ασθένειες. Ωστόσο, η πρακτική εφαρμογή τους στις καλλιέργειες είναι περιορισμένη λόγω της μειωμένης απόδοσης της σοδειάς που συνδέεται με μια συνεχώς ενεργή αμυντική αντίδραση των καρπών.

"Η ανοσία είναι ένα δίκοπο σπαθί", δήλωσε ο Xinnian Dong, καθηγητής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο Duke και επικεφαλής ερευνητής της μελέτης. "Συχνά παρατηρείται μια ανταλλαγή μεταξύ της ανάπτυξης και της άμυνας επειδή οι αμυντικές πρωτεΐνες δεν είναι μόνο τοξικές για τους παθογόνους παράγοντες αλλά και επιβλαβείς για τον εαυτό τους όταν υπερλειτουργούν", δήλωσε ο Dong. "Αυτή είναι μια σημαντική πρόκληση για τη δημιουργία αντίστασης στις ασθένειες για γεωργική χρήση, επειδή ο τελικός στόχος είναι να προστατευθεί η απόδοση της σοδειάς".  Προηγούμενες μελέτες έχουν επικεντρωθεί στην αλλαγή της κωδικοποιητικής αλληλουχίας ή των ανάντη στοιχείων της αλληλουχίας DNA ενός γονιδίου. Αυτά τα ανάντη στοιχεία του DNA είναι γνωστά ως υποκινητές και λειτουργούν ως διακόπτες που ενεργοποιούν ή απενεργοποιούν την έκφραση ενός γονιδίου. Αυτό είναι το πρώτο βήμα της σύνθεσης ενός γονιδίου στο πρωτεϊνικό του προϊόν, γνωστό ως μεταγραφή. Συνδέοντας έναν υποκινητή που δίνει ένα σήμα "on" σε ένα αμυντικό γονίδιο, ένα φυτό μπορεί να φτιαχτεί ώστε να είναι ιδιαίτερα ανθεκτικό στα παθογόνα, αν και με κόστος για την ανάπτυξη και την απόδοση. Αυτό το κόστος μπορεί να αρθεί εν μέρει με την προσάρτηση του αμυντικού γονιδίου σε ένα «ειδικό παθογόνο» προαγωγό που ενεργοποιείται με την παρουσία μιας προσβολής παθογόνων.

Για να μειώσει περαιτέρω τις αρνητικές επιπτώσεις της ενεργούς άμυνας, η ομάδα του Dong πρόσθεσε ένα επιπλέον επίπεδο ελέγχου, χρησιμοποιώντας κάποια στοιχεία αλληλουχίας που ανακαλύφθηκαν πρόσφατα και ονομάζονται upstream open reading frames (uORF) τα οποία διευθύνουν την "μετάφρασή" του στο τελικό πρωτεϊνικό προϊόν.  Οι ερευνητές ξεκίνησαν με το Arabidopsis, ένα ανθοφόρο φυτό που χρησιμοποιείται συνήθως στην εργαστηριακή έρευνα. Δημιούργησαν μια υβριδική αλληλουχία DΝΑ που περιείχε μεταγραφικά και μεταφραστικά στοιχεία (uORFs) και τα συγκόλλησαν σε ένα "ανοσοενεργοποιητή" (snc1). Αυτή η αλληλουχία ονομάστηκε "μεταγραφική / μεταφραστική κασέτα" και εισήχθη σε φυτά Arabidopsis τα οποία όχι μόνο είχαν αυξημένη αντοχή, αλλά παράλληλα δεν παρουσίασαν ελαττώματα ανάπτυξης. Οι επιστήμονες προσπάθησαν και κατάφεραν στη συνέχεια να εφαρμόσουν αυτά τα ευρήματα στη δημιουργία ανθεκτικού στις ασθένειες ρυζιού. Δημιούργησαν διαγονιδιακές γραμμές ρυζιού που περιείχαν την μεταγραφική / μεταφραστική κασέτα και ένα άλλο ισχυρό γονίδιο "ανοσοενεργοποιητή" το AtNPR1. Αυτό το γονίδιο επιλέχθηκε καθώς βρέθηκε ότι προσφέρει αντίσταση στα παθογόνα ευρέος φάσματος σε μεγάλη ποικιλία καλλιεργητικών ειδών, συμπεριλαμβανομένου του ρυζιού, των εσπεριδοειδών, των μήλων και του σιταριού.  Όταν το ρύζι καλλιεργήθηκε σε αγρόκτημα, η απόδοσή του - τόσο από την άποψη της ποσότητας αλλά και της ποιότητας ανά φυτό - ήταν σχεδόν ανεπηρέαστη. Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ένα μεγάλο δυναμικό για τις γεωργικές εφαρμογές με μικρό κόστος και δεδομένου ότι η στρατηγική αυτή περιλαμβάνει την ενεργοποίηση της ενδογενούς άμυνας των φυτών, μπορεί επίσης να μειώσει τη χρήση φυτοφαρμάκων στις καλλιέργειες και κατά συνέπεια να προστατεύσει το περιβάλλον.

Η έρευνα δημοσιεύθηκε στο Nature