Genetic mapping in two independent durum wheat accessions PI 244061 and PI 209274 identified shared loci for leaf rust resistance on chromosome 6BS

Tarwe is de ruggengraat van de wereldwijde voedselzekerheid en voedt dagelijks miljarden mensen. Onder de vele variëteiten is durumtarwe het specifieke type dat wordt gebruikt voor het maken van pasta, couscous en semola. Net als alle gewassen staat het bloot aan constante bedreigingen uit de natuur, met name schimmelziekten die oogsten kunnen verwoesten. Een van de meest hardnekkige vijanden is bladroest, een schimmel die de bladeren aanvalt, ze bruin maakt en de energie van de plant wegzuigt. Als dit onbehandeld blijft, kan deze ziekte meer dan de helft van de potentiële opbrengst van een gewas vernietigen. Decennialang hebben boeren en wetenschappers vertrouwd op het kweken van tarwevariëteiten die natuurlijke resistentiegenen dragen om terug te vechten. De schimmel is echter slim; hij evolueert snel en ontwikkelt nieuwe stammen die de verdediging van oudere tarwevariëteiten kunnen omzeilen. Deze constante wapenwedloop betekent dat wetenschappers steeds opnieuw moeten zoeken naar nieuwe bronnen van resistentie in het wild en in oude landrassen om de ziekte voor te blijven.

In een recente studie richtten onderzoekers hun aandacht op twee specifieke tarwe-accessies, bekend als PI 244061 en PI 209274. Dit zijn geen moderne supermarktvariëteiten, maar genetische schatten: de ene is een landras uit Jemen en de andere is een kweeklijn uit Australië. Beide hadden in eerdere tests een opmerkelijk vermogen getoond om resistent te zijn tegen bladroest. Het doel was om de exacte locatie van de genen die verantwoordelijk zijn voor deze resistentie binnen hun DNA te vinden en te begrijpen hoe ze werken. Door deze resistente planten te kruisen met vatbare exemplaren en hun nakomelingen te bestuderen, probeerde het team de genetische instructies te lokaliseren die de tarwe in staat stellen de aanval van de schimmel te overleven.

De onderzoekers begonnen met het kweken van duizenden tarwezaailingen in een gecontroleerde kasomgeving. Ze kruisten de resistente ouders met vatbare exemplaren om hybride families te creëren, en inoculeerden de jonge planten vervolgens met een specifieke, agressieve stam van de bladroestschimmel. Terwijl de planten groeiden, keken de wetenschappers nauwlettend om te zien welke de infectie bestreden en welke erdoor bezweken. De resultaten waren duidelijk: de resistentie in beide oorspronkelijke accessies werd beheerst door een enkel dominant gen. Dit betekende dat als een plant slechts één kopie van dit gen van zijn ouder erfde, hij beschermd zou zijn. Vervolgens gebruikte het team een krachtige techniek genaamd 'bulked segregant RNA sequencing'. Ze namen de bladeren van de meest resistente planten en de meest vatbare planten, mengden deze in twee aparte groepen en analyseerden hun genetisch materiaal. Door de genetische verschillen tussen de "overlevers" en de "slachtoffers" te vergelijken, konden ze de zoektocht naar het resistentiegen verfijnen.

De analyse wees naar een zeer specifieke locatie op chromosoom 6BS, een afzonderlijk segment van het tarwegenoom. In zowel het Jemenitische landras als de Australische kweeklijn werd het resistentiegen in dezelfde algemene regio aan het uiteinde van dit chromosoom gevonden. Om absoluut zeker te zijn, ontwikkelde het team nieuwe genetische markers, die fungeren als moleculaire wegwijzers, om het gen door de generaties heen te volgen. Ze testten honderden individuele planten en ontdekten dat de resistentie nauw verbonden was met een minuscuul gebied van DNA dat slechts 2,07 megabases groot is. Dit is een opmerkelijk klein doelwit in het uitgestrekte landschap van een tarwegenoom. Binnen deze smalle strook zochten de onderzoekers naar genen die verantwoordelijk zouden kunnen zijn voor de verdediging. Ze vonden verschillende kandidaten, waaronder genen die eiwitten produceren die bekend staan om het herkennen en bestrijden van pathogenen.

Een van de meest veelbelovende kandidaten in het Jemenitische landras was een gen dat een eiwit gen produceert genaamd RGA5, dat fungeert als een sensor om de schimmel te detecteren. In de Australische lijn wees het bewijs naar een ander type gen, namelijk een gen dat een wall-associated kinase produceert, een eiwit dat de plant helpt schade aan de celwanden waar te nemen. Interessant genoeg, hoewel beide lijnen op dezelfde plek op het chromosoom resistent zijn tegen de ziekte, zijn hun genetische codes in dat gebied iets verschillend, wat suggereert dat ze hun verdediging onafhankelijk van elkaar hebben ontwikkeld. De studie behandelde ook een eerdere bevinding die een resistentiegen uit het Jemenitische landras op een ander deel van het chromosoom had geplaatst. De nieuwe, hoogwaardige data bevestigden dat de eerdere locatie onjuist was en dat het werkelijke afweermechanisme zich op chromosoom 6BS bevindt.

Deze ontdekking biedt tarweveredelaars een precieze kaart en de instrumenten die ze nodig hebben om deze krachtige resistentiegenen over te dragen naar moderne, hoogopbrengstige durumvariëteiten. Door gebruik te maken van de in deze studie geïdentificeerde genetische markers, kunnen veredelaars snel zaailingen selecteren die de resistentie dragen, zonder te hoeven wachten tot de planten volgroeid zijn en de ziekte in het veld te hebben ondergaan. Het feit dat twee ongerelateerde bronnen van tarwe, gescheiden door geografie en geschiedenis, beide een afweermechanisme in hetzelfde kleine gebied van hun DNA dragen, suggereert dat dit deel van het chromosoom een natuurlijke 'hotspot' is voor de strijd tegen bladroest. Hoewel de exacte identiteit van het gen nog verdere laboratoriumarbeid vereist om dit te bevestigen, is de weg voorwaarts duidelijk. Deze bevindingen bieden een robuuste basis voor het ontwikkelen van nieuwe tarwevariëteiten die bestand zijn tegen de evoluerende bedreigingen van bladroest, wat helpt de toekomst van een van 's werelds belangrijkste voedselgewassen te waarborgen.