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.