Rug er en vigtig kornafgrøde, især i Nordeuropa. Dette skyldes hovedsageligt den høje næringsværdi samt tolerance over for de kølige miljøforhold på nordlige breddegrader. Rug kan vokse i kølige temperaturer og under marginale jordforhold, som muligvis ikke er så egnede til hvede og byg. Rug er imidlertid truet af meldrøjer, en svampesygdom, der vides at forårsage alvorlige problemer, især i krydsbestøvet rug.

”Meldrøjer inficerer rugens aks, hvor svampen forvandler kornet til en stenhård masse. Dette i sig selv er ikke det største problem. Meldrøjer er giftigt for os at spise, og det er især skidt for gravide. Så hvis rug er inficeret, kan det ikke sælges,” fortæller Post Doc Khalid Mahmood, der gennemførte denne undersøgelse som en del af sin industrielle postdoktor med Institut for Agroøkologi og Nordic Seed som partnere.

Meldrøjer har eksisteret lige så længe som landbrug

Meldrøjer i rug har skabt problemer for rugbønder gennem hele landbrugets historie. Og det vides at forårsage alvorlige problemer, når afgrøden først er inficeret. Meldrøjer udgør en stor komplikation i forhold til brødproduktion, da der kun må være en meget lille andel inficeret korn i det mel, der bruges til at bage brød. 

"For at undgå problemer og mindske tab af indkomst hos landmændene er det vigtigt at finde og producere rughybrider, der er resistente over for infektioner med meldrøjer, men for at gøre det er vi nødt til at kende det genetiske grundlag i forbindelse med meldrøjer," forklarer Khalid Mahmood.

Meldrøjer vides at inficere unge ubefrugtede afgrøder; hvordan infektionen sker er imidlertid ikke klart, og indtil nu er der ikke nogen kendte resistensgener.

Fig 1: Meldrøjer-infektion på rugplanter A) Rug i marken med meldrøjer-infektion B) Close-up af ruginfektion i tidligt stadium C) Close-up af ruginfektion på fuldt modent stadium D) Meldrøjer fænotypebestemmelse i et semifieldforsøg

”Infektionsmønsteret for meldrøjer er komplekst, og det molekylære respons fra underliggende mekanismer på denne sygdom var stort set ukendt, hvorfor vi ønskede at profilere genekspressionen efter infektion ved at bruge next generation sekventering af RNA, da det kan give detaljer på transkriptionelt niveau i rugen,” siger Khalid Mahmood.

Identificering af meldrøjermekanismen

Forskerne anvendte en transkriptomisk tilgang til at identificere gener i de underliggende mekanismer at meldrøjerinfektioner i rug. Transcriptomics er undersøgelsen af ??transkriptomet, som er det komplette sæt af RNA-transkripter, der produceres af gener under specifikke omstændigheder i dette tilfælde meldrøjer-infektionen. Med andre ord undersøgte forskeren, hvad der sker med rugens gener, når det bliver smittet med meldrøjer.

”Vi brugte en transkriptomisk metode, som dybest set gav os et øjebliksbillede af alle generne, og hvordan de er aktive under en bestemt situation, for eksempel når meldrøjer inficerer rugens aks. Dermed kunne vi se, hvilke gener, der aktiveres for at forhindre infektionen. Og et øjebliksbillede af generne gør det muligt for os at identificere den signalvej, der er afgørende for at udvikle mere resistens,” siger Khalid Mahmood.

Ved at se på snapshots af de aktiverede gener i tolv prøver af to rughybrider med kontrasterende fænotypiske reaktioner på meldrøjer var forskerne i stand til at identificere meldrøjermekanismen samt identificere signalvejen, der er en del af infektionsprocessen.

"Og på den måde kunne vi identificere et antal gener, der spiller en rolle i udviklingen af ??resistens over for meldrøjer," siger Khalid Mahmood.

228 gener forbundet med meldrøjer

Studiet viste, at 228 gener var forbundet med meldrøjer i både resistente og modtagelige hybrider. Nogle af generne var forbundet med metaboliske processer, cellevægsmodifikation og pollenudvikling for at nævne nogle få.

”Vores transkriptomiske undersøgelse viser, hvordan meldrøjer påvirker transkriptionsekspression i begge hybrider, og dette vil hjælpe os i fremtiden til bedre at forstå den nøjagtige natur og oprindelse af meldrøjer i rug. Så dette er det første skridt i retning af udvikling af genbaserede strategier,” forklarer Khalid Mahmood. 

Identifikation af signaleveje og gener er et vigtigt skridt i retning af en bedre forståelse af den komplekse mekanisme, der kan bruges til at skabe nye strategier til styring af meldrøjer i fremtiden.  Sekvensdata og de novo-samlinger er altså værdifulde som videnskabelige ressourcer til fremtidige studier af rug.