В условиях непрерывного роста населения мира растет спрос на высокоурожайные сельхозкультуры, и повышение урожайности кукурузы, как важной продовольственной и кормовой культуры, стало одним из важных направлений в агронауке.
Для примера, поскольку частота интенсивных штормовых событий в кукурузном поясе США увеличивается, гибриды кукурузы с пониженным ростом лучше сопротивляются изменению климата, поломке и полеганию. Под руководством исследователей Corteva Agriscience разработана генно-отредактированная зародышевая плазма кукурузы D8 (dwarf8 , zm-D8) с пониженным ростом. Четыре элитных отредактированных гибрида кукурузы zm-D8 и их изогенные гибриды-компараторы стандартной высоты были оценены в общей сложности на 17 полевых участках в 2021 и 2022 годах. Гибриды zm-D8 с отредактированным геномом полегали значительно меньше, чем гибриды стандартной высоты, а урожайность была сопоставима.
Еще одно важное направление – повысить устойчивость урожая к вредителям. Это важно, поскольку один из главных врагов кукурузы – кукурузная лиственная совка – осваивает новые территории и добралась уже до Европы.
Хотя традиционные методы селекции достигли значительного прогресса в улучшении желаемых признаков кукурузы, их длительный цикл и низкая эффективность затрудняют удовлетворение быстрорастущего спроса на продукцию.
Появление технологий редактирования генома, особенно системы генетических ножницCRISPR/Cas9, открыло новые возможности для скоростной селекции. Однако до сих пор перед селекционерами стояла сложная задача – выяснить, на что именно в кукурузе им надо нацеливаться. Теперь она решена.
В новом исследовании, опубликованном в Nature Plants, ученые показали, каким образом участки генетического материала кукурузы формируют важнейшие признаки культуры от строения – важно для урожайности и устойчивости к изменению климата - до устойчивости к листогрызущим вредителям, в первую очередь, к гусеницам кукурузной лиственной совки. Этот ресурс позволяет быстро выводить более продуктивные и устойчивые сорта, используя редактирование генов.
Регуляторные элементы являются важными компонентами геномов растений, которые сформировали одомашнивание и совершенствование современных сельскохозяйственных культур. Тем не менее, их идентичность, функции и разнообразие остаются плохо охарактеризованными, что ограничивает способность селекционеров использовать всю их мощь для достижения прогресса в сельском хозяйстве с использованием индуцированных или естественных вариаций.
В новом исследовании, возглавляемом экспертами Ратгерского университета в Нью-Брансуике и Нью-Йоркского университета, команда картировала связывание транскрипционного фактора (transcription factor, TF) для 200 TF из 30 семейств в двух различных инбредных линиях кукурузы, исторически использовавшихся в селекции этой культуры.
Ученые описали, как они выявили, что определенные белки, известные как факторы транскрипции, связываются с ДНК у кукурузных растений и как это взаимодействие влияет на активацию или подавление генов в конкретных тканях. Они проанализировали две линии кукурузы и обнаружили заметные различия в участках их ДНК, что, по их мнению, может объяснить, почему растения отличаются внешним видом и устойчивостью к вредителям.
«Сравнение связывания TF выявило широко распространенные различия между инбредами, обусловленные в основном структурными вариациями, которые коррелировали с изменениями экспрессии генов и объясняли локусы сложных количественных признаков, таких как Vgt1, важный фактор, определяющий время цветения, и DICE, усилитель резистентности к травоядным. Редактирование областей связывания TF с помощью CRISPR–Cas9 подтвердило функцию и структуру регуляторных областей в различных локусах, контролирующих архитектуру растений и биотическую резистентность. Наш каталог связывания кукурузы TF определяет функциональные регуляторные области и позволяет проводить коллективный и сравнительный анализ, подчеркивая ее ценность для улучшения сельского хозяйства», подчеркивают исследователи.
Проще говоря, этот анализ способствовал картированию и исследованию мест связывания белков-факторов транскрипции, прикрепляющихся к ДНК для формирования цис-регуляторных областей. Теперь с использованием этого ресурса можно проводить редактирование генов целенаправленно, воздействуя на эти области для получения различных характеристик. Селекционеры могут быстрее включать в культуру устойчивость к вредителям, стрессам, а также изменять структуру кукурузы.
Большой вклад в исследование и статью «Расхождение в связывании факторов транскрипции обуславливает транскрипционную и фенотипическую изменчивость кукурузы» внесли ученые из Института микробиологии имени Ваксмана при Университете Ратгерса, в том числе Мэри Галли, основной автор данного исследования, а также Цзунлян Чен, Амина Чаудхари, Джейсон Грегори и Фань Фэн.
DOI: 10.1038/s41477-025-02007-8
