Определены новые инструменты для обнаружения устойчивости патогенов к фунгицидам

Фунгициды - важные агрохимические продукты для борьбы с болезнями сельскохозяйственных культур. Фунгициды, использующие ингибиторы деметилазы или азолные фунгициды, широко используются в защите растений.

Азолы являются системными фунгицидами с одним местом действия. Они направлены на фермент цитохрома P450 стерол 14α-деметилазу (CYP51), который играет важную роль в биосинтезе грибного стерола - эргостерола. Азолные фунгициды нарушают функцию CYP51, что приводит к нарушению стабильности и текучести клеточной мембраны через истощение эргостерола и накопление токсичных промежуточных стеролов.

Азолные фунгициды обладают высокой эффективностью, а развитие резистентности к ним происходит медленнее, чем к другим односайтовым фунгицидам. Однако число случаев резистентности к азолам по-прежнему растет среди экономически значимых патогенов сельскохозяйственных культур, таких как вызывающий септориоз листьев пшеницы Zymoseptoria tritici, фузариум злаковый Fusarium graminearum и другие.

Существует три основных механизма резистентности к азолным фунгицидам: мутации в гене Cyp51, изменяющие связывание фунгицида; сверхэкспрессия Cyp51 из-за изменений промотора; и повышенная эффузия из клетки. Эти механизмы могут сосуществовать в одном изоляте и усиливать уровни резистентности. У нитчатых аскомицетов, включая множество фитопатогенов, есть более одного паралогичного гена Cyp51. Однако мутации, связанные с устойчивостью к фунгицидам, обычно относятся к Cyp51A.

Патогены P. teres f. teres (Ptt) и P. teres f. maculata (Ptm) вызывают сетчатую ​​форму сетчатой ​​пятнистости и точечную форму сетчатой ​​пятнистости ячменя соответственно. Ptt содержит один ген Cyp51B и две копии Cyp51A: Cyp51A1 и Cyp51A2. Мутация устойчивости к фунгицидам F489L присутствует только в Cyp51A1, а мутаций, связанных с устойчивостью к фунгицидам, в Cyp51B не было обнаружено. В отличие от Ptt, Ptm содержит только одну копию Cyp51A, но мутации промотора и кодирующей последовательности связаны с устойчивостью к азолным фунгицидам.

В природе Ptt и Ptm могут образовывать гибриды с одним гибридным гаплотипом, проявляющим высокую устойчивость к азолным фунгицидам. Предположительно, этот генетический признак был приобретен в результате естественной рекомбинации между двумя формами.

Для контроля устойчивых популяций патогенов и принятия соответствующих мер по управлению необходимо обнаруживать и мониторить устойчивость к фунгицидам в сельском хозяйстве и клиниках человеческой медицины.

Если обнаружена устойчивость к азолным соединениям, можно корректировать химическое управление, чтобы избежать чрезмерного селективного давления на патоген и обеспечить эффективность борьбы. Для этого требуются быстрые, точные и доступные технологии молекулярного обнаружения, способные обнаруживать различные генетические мутации, вызывающие устойчивость. Несколько технологий, таких как петлевая изотермическая амплификация, цифровая ПЦР и количественная ПЦР (кПЦР), были разработаны для выявления и мониторинга устойчивости к фунгицидам у фитопатогенов.

Однако эти технологии имеют ограничения. Они требуют отдельного анализа для каждой мутации и не способны обнаруживать новые мутации. Например, Ptm имеет несколько различных вставок промотора и мутаций кодирующей последовательности, которые могут существовать отдельно или в комбинации. Ptm и Ptt также могут образовывать гибриды, усложняя диагностику устойчивости. Таким образом, скрининг на устойчивость становится трудоемким процессом, требующим множества анализов.

Ученые из Центра по борьбе с болезнями и урожайностью (CCDM) в Австралии совместно с Университетом Кертина и австралийской Корпорацией по исследованиям и разработкам в области зерна (GRDC) разработали новый метод обнаружения мутаций устойчивости к фунгицидам. Они использовали портативное устройство для секвенирования ДНК Oxford Nanopore Technologies MinION, которое позволяет обнаруживать как известные, так и новые мутации, невидимые для традиционных методов.

Доктор Кэтрин Зулак, исследователь CCDM и ведущий автор, отметил, что традиционные методы требуют большого времени и усилий и ограничены обнаружением только известных мутаций. Новый метод с помощью секвенирования целевых генов фунгицидов предоставляет полную карту всех возможных мутаций, включая ранее не идентифицированные.

Профессор Марк Гибберд, директор CCDM, подчеркнул значимость исследований и разработок в области зерна и инвестиции в инновации для борьбы с проблемами заболеваний в сельском хозяйстве. Он также отметил важность международного сотрудничества и партнерства для применения глобальных результатов исследований в национальных проектах.

Этот проект создает не только усовершенствованные методы обнаружения и мониторинга устойчивости к фунгицидам, но также предоставляет генетическую информацию, которая может быть использована в будущих исследованиях и обеспечивает базу знаний для научного сообщества.

Благодаря совместным усилиям австралийских ученых и использованию новейших технологий, можно более эффективно бороться с устойчивостью патогенов к фунгицидам и обеспечивать устойчивость сельскохозяйственных культур.

Рабочий процесс культивирования, амплификации, секвенирования и биоинформатического анализа мицелия, культивируемого на среде с добавлением тебуконазола из образцов инфицированных листьев. Источник: Scientific Reports (2024). DOI: 10.1038/s41598-024-56801-z.

Инновации и сотрудничество - двигатель прогресса в исследованиях сельского хозяйства. Международные инвестиции и партнерства позволяют применять новейшие технологии и решения для решения сложных проблем в сельском хозяйстве, таких как борьба с устойчивостью патогенов к фунгицидам. Такие инициативы помогают обеспечить устойчивость и улучшение урожайности в зерновой отрасли.

Источник: Grains Research and Development Corporation. На фото: научный сотрудник CCDM Лина Фарфан Касерес и научный сотрудник д-р Кэтрин Зулак в лаборатории с MinION от Oxford Nanopore Technologies. Фото: CCDM.