В новом исследовании ученые установили, что микробиом генетически отредактированной сои изменился во время цветения в пользу урожайности культуры.
Соя (Glycine max) является одной из важнейших мировых продовольственных и масличных культур и, следовательно, имеет важное значение для обеспечения продовольственной безопасности посредством устойчивого производства. Хотя трансгенные технологии значительно улучшили урожайность и устойчивость сои к стрессам, они также вызвали продолжающиеся дебаты относительно экологической безопасности.
В последние годы технологии редактирования генов, представленные CRISPR/Cas9, открыли новый технический путь для улучшения генетики сельскохозяйственных культур благодаря их способности точно и эффективно нацеливаться на геномные участки и облегчать модификации, как правило, без введения чужеродных генов.
Эта технология продемонстрировала значительный потенциал для повышения устойчивости сои к болезням, стрессоустойчивости и урожайности при одновременной оптимизации питательной ценности, обещая развитие нового поколения устойчивых систем сельскохозяйственной биотехнологии.
С точки зрения генетического улучшения признаков урожайности, технология редактирования генов предлагает новую стратегию для селекционеров сои за счет прямой регуляции ключевых агрономических генов, что отражается в двух аспектах.
Во-первых, это регуляция массы и количества зерен: путем редактирования ключевых генов, контролирующих размер семян, количество стручков на растении или количество семян в стручке, компоненты урожайности сои могут быть напрямую оптимизированы.
Во-вторых, это оптимизация архитектуры растения для повышения урожайности: посредством точной модификации генов, связанных с высотой растения, углом ветвления и морфологией листьев, редактирование генов позволяет разрабатывать идеальные типы растений, характеризующиеся компактной архитектурой, крепкими стеблями и высокой устойчивостью к полеганию. Такие типы растений улучшают полевую вентиляцию и проникновение света, облегчают высокоплотную посадку и, следовательно, значительно увеличивают урожайность на единицу площади.
Например, редактирование гена GmJAG1 с помощью CRISPR/Cas9 привело к появлению растений сои с более узкими листьями и увеличенным количеством семян в стручке (в частности, 3–4 семени в стручке), что в конечном итоге привело к повышению урожайности примерно на 8% в полевых испытаниях .
Корни растений являются адаптивными органами, которые как сами влияют на физические, химические и биологические свойства окружающей почвы, так и подвергаются их влиянию. Это касается ризосферы, которая включает в себя особое микробное сообщество (микробиом).
Микробиом ризосферы отличается от общего почвенного микробиома по составу, численности микроорганизмов и функциональным признакам. Он как влияет на физиологию и рост растений, так и подвергается их влиянию, играя решающую роль в ключевых экологических процессах, таких как круговорот питательных веществ, разложение органического вещества, подавление болезней и стимулирование роста растений.
К настоящему времени проведено множество исследований, посвященных изучению влияния генетически модифицированных культур на микроорганизмы ризосферы, причем большинство из них сосредоточено на трансгенных Bt-культурах или культурах, устойчивых к гербицидам.
В этих исследованиях, как правило, сообщается, что трансгенные события вызывают незначительные или лишь временные изменения в структуре микробного сообщества ризосферы.
Однако вопрос о том, распространяются ли эти выводы на генетически отредактированные культуры, особенно на те, в которых внесены изменения в эндогенные гены, изменяющие архитектуру растения и компоненты урожайности, остается в значительной степени неизученным.
В отличие от трансгенных культур, экспрессирующих экзогенные инсектицидные или гербицидоустойчивые белки, генетически отредактированные культуры несут точные модификации в эндогенных генах, что может привести к более тонким, но потенциально различным эффектам на физиологию растений и, следовательно, на взаимодействие корней и микроорганизмов.
Итак, ученые из Китайской академии сельскохозяйственных наук задались вопросом: как опосредованные редактированием GmJAG1 изменения морфологии листьев и количества семян в стручке могут влиять на микробиом ризосферы сои?
Полевые испытания показали, что у генетически отредактированной сои урожайность увеличилась на 55,22% без сопутствующих изменений длины корней.
Метагеномное секвенирование ризосферного почвенного микробиома показало, что по сравнению с соответствующей немодифицированной линией, у отредактированной сои произошло значительное изменение на стадии репродуктивного периода R2 (полное цветение сои).
Ризосферный микробиом отредактированного сорта продемонстрировал обогащение функциональных путей, связанных с транспортом, биосинтезом аминокислот и центральным метаболизмом. Эти результаты позволяют предположить, что редактирование гена GmJAG1 может формировать функциональный профиль ризосферного микробиома, что потенциально может способствовать повышению урожайности.
Данная работа предлагает новый микробиологический подход к пониманию механизмов, с помощью которых можно повысить урожайность генетически отредактированных культур.