Красноярские ученые работают над новыми сортами пшеницы, устойчивыми к фузариозу колоса, вызванному грибами рода Fusarium. Создание таких сортов с помощью клеточной биотехнологии сыграет важную роль в повышении продовольственной безопасности и стабильности сельского хозяйства. Результаты исследования опубликованы в журнале Аграрная наука Евро-Северо-Востока.

Фузариоз — одно из самых опасных заболеваний пшеницы, которое приводит к заражению зерна грибковыми токсинами, что делает его непригодным для потребления. Вспышки заболевания ежегодно фиксируются в различных регионах России. В Красноярском крае зараженность зерна грибом вида Fusarium sporotrichioides, вызывающим фузариоз, достигает 70%. Проблема приобретает особое значение, учитывая сложность борьбы с этим заболеванием.

Ученые Красноярского научного центра СО РАН выводят сорта яровой мягкой пшеницы, устойчивые к токсинам гриба, вызывающего фузариоз. Для этого они использовали подходы клеточной биотехнологии. Ученые работали с каллусными культурами — клетками растений, которые растут в лабораторных условиях на питательных средах. Исследование проводили с каллусными культурами яровой мягкой пшеницы сорта Красноярская 12, которая наиболее востребована в Восточной Сибири. Чтобы отобрать наиболее выносливые клетки, в их питательные среды добавляли токсичные фильтраты культуральных жидкостей грибов Fusarium sporotrichioides. Метод позволяет выделить клеточные линии, устойчивые к воздействию грибковых токсинов, что является первым шагом на пути к созданию новых сортов пшеницы.

Одним из ключевых критериев отбора клеток стало сохранение их способности к делению при воздействии токсина. Специалисты отметили замедление роста каллусов при высокой концентрации токсинов, где развитие остановилось у большей части клеток. Однако после 42 дней ученые обнаружили, что каллусные культуры несмотря на высокие концентрации токсинов, продолжают развиваться и восстанавливаются после первоначальной гибели клеток. Образование областей, содержащих хлоропласты, отвечающие за фотосинтез, также активизировалось, несмотря на токсическое воздействие. В дальнейшем процессе культивирования, даже на средах с 40% содержанием токсинов, часть каллусов продолжала расти, что позволило ученым 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 считались оранжево-коричневая окраска тканей и изменение цвета среды вокруг клеток. Однако с течением времени, в зонах некроза появились активно делящиеся клетки. Ученые предположили, что возобновления 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.

Для продолжения эксперимента ученые пересадили выжившие клетки в свежую среду с токсином. Предполагалось, что использование свежей среды с токсином поможет поддерживать уровень стрессового давления на клетки. Однако после пересадки на свежую среду активный рост клеток продолжился. При этом некроз в тканях также не только не ускорился, а наоборот, пересадка на свежую среду замедлила этот процесс. Специалисты связали это с повышением концентрации питательных веществ в среде и соответствующим увеличением способности клеток сопротивляться токсическому воздействию.

«Мы отметили, что 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. Наша работа показывает важность оптимальной продолжительности культивирования для успешного отбора клеточных линий. Она может стать важным шагом в создании новых сортов пшеницы, устойчивых к грибковым заболеваниям. В дальнейшем мы планируем 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.