Пшеница — база мировой продовольственной безопасности, но даже у лучших сортов есть свои «ахиллесовы пяты». Китайский элитный сорт «Луньсюань 13» всем хорош: он дает крупные зерна, не полегает под ветром и ставит рекорды урожайности. Но стоит пройти дождю во время созревания, как зерна начинают прорастать прямо в колосе. Этот процесс полностью обнуляет качественное зерно. Ученые отредактировали этот коммерческий сорт пшеницы для повышения устойчивости к прорастанию в колосе.
Пшеница — важная продовольственная культура мирового значения, и её урожайность имеет решающее значение для обеспечения продовольственной безопасности.
Сорт «Луньсюань 13» — это элитный сорт пшеницы, разработанный Институтом растениеводства Китайской академии сельскохозяйственных наук. Он обладает высоким потенциалом урожайности и выдающимися агрономическими характеристиками, такими как отличная завязываемость семян, крупные зерна и хорошая устойчивость к полеганию. Однако этот сорт очень восприимчив к преждевременному прорастанию в колосе при воздействии дождя в период созревания, что вызывая потери урожая и ухудшение качества. Этот недостаток серьезно ограничивает распространение сорта.
Ученые из Китайской академии сельскохозяйственных наук решили устранить эту проблему с помощью «генетических ножниц» CRISPR/Cas9. Их целью стал ген TaQsd1, который отвечает за период покоя семян. Задача заключалась в том, что у пшеницы сложная генетика: нужно было одновременно «выключить» три копии этого гена в разных субгеномах (A, B и D). Если оставить в покое хотя бы одну копию, система защиты не сработает — природа предусмотрела дублирование функций.
В общей сложности было получено 41 растение, при этом эффективность трансформации составила 52,6%, из которых у 27 растений были обнаружены изменения в целевых участках, что привело к эффективности редактирования в 65,9%.
Фенотипический анализ гомозиготных линий с отредактированным геном T2 выявил значительную функциональную избыточность среди трех гомологов TaQsd1: значительное увеличение периода покоя семян и существенное повышение устойчивости к преждевременному прорастанию семян были достигнуты только тогда, когда все три копии A, B и D подверглись мутации с потерей функции (генотип aabbdd).
Проще говоря, ученые получили линии, где все три копии гена были отключены, а пшеница наконец-то «крепко заснула». Теперь зерна игнорируют влагу во время созревания и не пускают ростки раньше времени. При этом, как только зерно проходит период дозревания, оно сохраняет отличную всхожесть — «будильник» просто перевели на более позднее время.
Самое важное для агрономов то, что вмешательство в геном никак не испортило другие качества сорта. Высота стебля, размер колоса и количество зерен остались прежними. «Луньсюань 13» сохранил все свои достоинства, избавившись от главного страха перед дождливым летом. Это исследование открывает дорогу для широкого использования сорта и доказывает, что точечное редактирование генов — самый быстрый путь к созданию улучшенных культур культур.