Washington, DC, USA
April 7, 2014
ARS scientists have found a gene in einkorn wheat, an ancient variety still cultivated in parts of the Mediterranean, that appears to offer near immunity to Ug99, a stem rust that is a serious threat to 90 percent of the world's wheat. Photo courtesy of Matthew Rouse, ARS.
U.S. Department of Agriculture (USDA) scientists have pinpointed the location of a gene in a little-known ancient grass that could help save one of the world's most important cereal crops from an unrelenting fungus.
Agricultural Research Service (ARS) scientists Matt Rouse and Yue Jin, with the agency's Cereal Disease Research Laboratory in St. Paul, Minn., found the gene while studying the DNA of ancient grasses. They were searching for genes that could make wheat more resistant to Ug99 (Puccinia graminis), a type of stem rust that is constantly evolving. ARS is USDA's principal intramural scientific research agency, and this work supports the USDA priority of promoting international food security.
Ug99 has not yet been found in the United States, but it is spreading overseas and is considered a potential threat to up to 90 percent of the world's wheat. Genes in wheat that seem to offer immunity one growing season become susceptible to newly developed "races" the next. Ug99 was first reported by scientists in Uganda in 1999, and controlling it has since become an international priority.
Scientists often study a crop's wild relatives for genes that will confer resistance to pests and pathogens. But what makes the efforts of Rouse and Jin noteworthy is the diversity of grasses being studied. They include einkorn wheat, an ancient variety still cultivated in parts of the Mediterranean; emmer wheat, found in archeological sites and still growing wild in the Near East; and goatgrass, a wild relative of wheat with genes that breeders have tapped to boost immunity in commercial wheat varieties.
In one study, Rouse and his colleagues at Kansas State University and the University of California at Davis focused on locating a gene in einkorn wheat that confers near immunity to Ug99. They focused on locating a gene, known as Sr35, which was previously discovered in einkorn. But the exact location of this gene in the plant's vast genome remained a mystery. The wheat genome is huge, containing nearly two times more genetic information than the human genome.
To find Sr35's position, the researchers sequenced areas of the plant's genome where they suspected it was located. In one set of mutant plants, they knocked out the cloned sequences and found it made those plants susceptible to Ug99. In another set they inserted the same sequences into previously susceptible plants and found it made them resistant.
The results, published in Science in 2013, marked the first time that scientists managed to isolate and clone a Ug99 resistance gene. The achievement should make it easier to insert useful genes into wheat varieties.
El papel de los antepasados del trigo en combatir una nueva amenaza
Científicos del Servicio de Investigación Agrícola (ARS) han localizado el sitio de un gen en una hierba antigua que podría ayudar a salvar uno de los cultivos de cereales más importantes del mundo de un hongo implacable.
Científicos Matt Rouse y Yue Jin en el Laboratorio de Investigación de los Enfermedades de Cereales mantenido por el ARS en San Pablo, Minnesota, descubrieron el gen durante estudios del ADN de varias hierbas antiguas. Ellos fueron buscando genes que podrían aumentar la resistencia del trigo al hongo Ug99 (Puccinia graminis), el cual causa un tipo de la roya del tallo que continuamente evoluciona.
ARS es la agencia principal de investigaciones científicas del Departamento de Agricultura de EE.UU. (USDA por sus siglas en inglés), y esta investigación apoya la prioridad del USDA de promover la seguridad alimentaria internacional.
El hongo Ug99 no ha sido encontrado hasta la fecha en EE.UU., pero se está propagando en otros países y es una amenaza potencial al 90 por ciento del trigo mundialmente. Los mismos genes en el trigo que parecen ofrecer inmunidad durante una temporada de cultivo no pueden proteger el cultivo durante la próxima temporada cuando el trigo es atacado por nuevas "razas" del hongo. Ug99 fue descrito por primera vez por científicos en el país de Uganda en el 1999, y el control de esta enfermedad ha llegado a ser una prioridad internacional.
Científicos a menudo estudian los parientes silvestres de un cultivo en la búsqueda para genes que podrían ofrecer resistencia a los insectos y patógenos. Pero lo importante de los estudios por Rouse y Jin es la diversidad de las hierbas estudiadas. Estas incluyen el trigo einkorn, el cual es una variedad antigua todavía cultivada en partes de la región mediterránea; el trigo emmer, el cual se encuentra en los sitios arqueológicos y en la región del Cercano Oriente; y el rompesacos, el cual es un pariente silvestre del trigo que tiene genes usados por criadores para aumentar la inmunidad en nuevas variedades comerciales del trigo.
En un estudio, Rouse y sus colegas en la Universidad Estatal de Kansas y la Universidad de California en Davis se concentraron en localizar un gen en el trigo einkorn que provee un nivel alto de inmunidad a Ug99. Este gen llamado Sr35 fue previamente descubierto en el trigo einkorn. Pero el sitio preciso de este gen en el genoma vasto del trigo todavía fue un misterio. El genoma del trigo es enorme, con casi dos veces más información genética que el genoma humano.
Para localizar Sr35, los investigadores secuenciaron áreas del genoma donde ellos sospecharon el gen era ubicado. En un grupo de plantas mutantes, ellos incapacitaron las secuencias clonadas y descubrieron que este cambio causó una vulnerabilidad de las plantas a Ug99. En otro grupo de plantas, ellos introdujeron las mismas secuencias en plantas previamente vulnerables y por consiguiente aumentaron la resistencia de las plantas.
Estos resultados, los cuales fueron publicados en la revista 'Science' (Ciencia) en el 2013, representaron el primer éxito en aislar y clonar un gen que provee resistencia a Ug99. Este logro podría facilitar la introducción de genes útiles en variedades del trigo en el futuro.
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