08.10.2024 10:28

Генетическое разнообразие сортов вместо пестицидов может снизить ущерб урожаю от вредных насекомых

Генетическое разнообразие сортов вместо пестицидов может снизить ущерб урожаю от вредных насекомых

Все большее количество исследований доказывает пользу биоразнообразия в агроландшафтах и важность работы селекционеров. Различные генотипы растений могут сотрудничать, чтобы помочь отбиваться от насекомых-вредителей даже без интенсивного применения пестицидов. Ученые разработали метод прогнозов ассоциативной устойчивости и протестировали на пшенице и рисе с удивительным результатом прибавки урожайности.

Исследователи из Цюрихского университета в сотрудничестве с коллегами из разных стран провели комплексное полевое исследование, показавшее, что ущерб от листогрызущих насекомых можно уменьшить, используя биоразнообразие внутри вида растений, сообщает Мелани Нифелер в релизе университета. Исследование также опубликовано в журнале Agronomy for Sustainable Development.

Растения, как и люди, взаимодействуют с окружающими их собратьями. Например, если окружающие вас люди более восприимчивы к инфекциям, ваш собственный риск заражения увеличивается, и наоборот. То же самое касается и растений. Когда разные генетические типы одного и того же вида растений смешиваются и высаживаются вместе, некоторые комбинации оказываются более устойчивыми к вредителям и болезням. Этот положительный эффект биоразнообразия известен как ассоциативная устойчивость.

Одной из ключевых проблем современного общества является согласование продовольственной безопасности с сохранением окружающей среды. Вредители и болезни представляют серьезную угрозу для сельскохозяйственных культур, делая химические вещества, такие как пестициды, критически важными в сельском хозяйстве. Однако пестициды могут сократить биоразнообразие насекомых, включая ценных опылителей и энтомофагов.

«В этом контексте ассоциативное сопротивление может стать новым методом обеспечения производства продовольствия при сохранении биоразнообразия», - говорит Кентаро Шимизу, директор департамента эволюционной биологии и исследований окружающей среды в Университете Чжэцзян.

Но какие комбинации генотипов растений следует сажать вместе, чтобы эффективно противостоять вредителям и болезням? Например, если выбрать два генотипа из 199 возможных, то получится 19 701 возможных комбинаций. Исследователи из Цюрихского университета разработали новые методы геномного прогнозирования с использованием физической модели для анализа взаимодействий между особями на генетическом уровне.

Сначала они провели масштабные эксперименты по выращиванию растений в течение двух лет на открытых полях в кампусе Ирчел, а также в Японии. Для 199 генотипов модельного растения Arabidopsis thaliana, собранных по всему миру, уже имелась информация о геномной ДНК. Исследователи случайным образом смешали и высадили более 30 особей каждого из генотипов, получив в общей сложности 6400 растений.

«Чтобы подсчитать 52 707 насекомых на 6400 растениях, старший научный сотрудник Ясухиро Сато провел месяцы в исследовательском саду. Этот удивительный набор данных, собранный с использованием возможностей исследовательского сада в кампусе Ирчел, стал ключом к этому исследованию», - рассказывает Шимизу.

До сих пор не существовало методов анализа того, какие геномные регионы лежат в основе взаимодействий, таких как ассоциативное сопротивление между соседними особями растений. Поэтому Ясухиро Сато и его команда создали новый аналитический метод под названием Neighbor GWAS.

Этот метод применяет модель, используемую в физике для анализа взаимодействий между магнитами, к взаимодействиям между соседними особями растений при повреждении травоядными, когда особи с определенными генетическими последовательностями ДНК соседствуют, на основе фактических результатов полевых экспериментов.

Анализ с использованием этого нового метода показал, что многочисленные гены участвуют во взаимодействии. Используя метод машинного обучения, исследователи смогли предсказать повреждения травоядных и определить полезные комбинации генотипов, для которых была предсказана ассоциативная устойчивость.

Исследовательская группа провела еще один масштабный полевой эксперимент в течение двух лет, высадив около 2000 особей растений в парах генотипов, для которых были предсказаны три различных уровня ассоциативной устойчивости. Этот эксперимент показал, что по сравнению с посадкой одного генотипа смешивание двух генотипов снизило ущерб от травоядных на 24,8% и 22,7% соответственно для самого высокого и второго по величине уровня ассоциативной устойчивости.

«С точки зрения фундаментальных исследований это можно рассматривать как веху в изучении взаимодействий между особями растений, - говорит Шимидзу. - Это подчеркивает важность биоразнообразия двумя способами. Во-первых, генетическое разнообразие самих культур может снизить ущерб от вредителей. Во-вторых, сокращение использования пестицидов в сельскохозяйственных условиях может способствовать сохранению биоразнообразия, включая биоразнообразие насекомых».

Метаанализы с Бернхардом Шмидом в качестве соавтора показали, что в таких культурах, как пшеница или рис, урожайность увеличивается на 4–16%, если случайные генотипы смешиваются в поле. По словам Симидзу, для этих важных видов сельскохозяйственных растений, геномы которых известны, новый метод позволяет предсказывать смеси определенных генотипов, которые максимизируют ассоциативную устойчивость, тем самым еще больше увеличивая урожайность и в то же время экономя на использовании пестицидов.