Однолетние зерновые культуры входят в число наиболее широко культивируемых в мире и составляют основу рациона человека. Для постоянного повышения продуктивности системы однолетних культур претерпели интенсивную модификацию за последнее столетие благодаря разработке высокоурожайных сортов, использованию удобрений и пестицидов, а также внедрению современной техники. Однако эти системы с высоким уровнем внесения удобрений и ежегодным нарушением почв негативно влияют на почву и окружающую среду, снижая поглощение углерода, увеличивая вымывание питательных веществ и способствуя более высоким выбросам парниковых газов, чем системы многолетних культур.
Прогресс в разработке многолетних зерновых культур достигается двумя основными стратегиями селекции.
Первая стратегия, одомашнивание, включает отбор растений с желаемыми признаками из диких многолетних видов и их улучшение посредством открытого опыления или многократного скрещивания в нескольких поколениях. Этот подход применяется в селекции многолетнего родственника пшеницы Thinopyrum intermedium (пшеница под брендом Kernza® ) и все чаще сочетается с геномной селекцией для улучшения таких признаков, как масса семян и устойчивость к осыпанию.
Вторая стратегия, широкая гибридизация, успешно использовалась при разработке многолетнего риса и также применяется в многолетнем сорго для субтропического и умеренно-теплого климата. В этом подходе признаки, связанные с многолетним ростом, переносятся в однолетний сорт злаковых путем скрещивания его с многолетним диким родственником для создания стабильных интрогрессий хромосомных сегментов, несущих важные гены.
Селекция многолетних злаковых, адаптированных к холодному умеренному климату, все еще находится на ранней стадии, и многолетний родственник ячменя Hordeum bulbosum недавно был предложен в качестве перспективного кандидата.
H. bulbosum является ближайшим многолетним родственником культурного ячменя, встречается как в диплоидной, так и в тетраплоидной формах. Диплоидная форма имеет то же число хромосом, что и культурный ячмень (2n = 2x = 14), тогда как тетраплоидная форма имеет 2n = 4x = 28. Несмотря на разные уровни плоидности, две формы морфологически не различаются и не признаются отдельными таксонами. H. bulbosum имеет большой геном размером приблизительно 4 гигабаз (Гб), что составляет около 80% от размера генома ячменя, геном которого равен 5 Гб.
Команда шведских генетиков провела масштабное исследование по созданию первого в мире многолетнего культурного ячменя. Скрестив обычный ячмень с его диким многолетним родственником, ученые смогли выделить специфические хромосомные участки, отвечающие за способность растения возрождаться и приносить урожай несколько лет подряд.
Исследователи создали и детально оценили сто пятьдесят одну интрогрессионную линию. Каждая такая линия представляет собой уникальный генетический гибрид: это привычный культурный ячмень, в ДНК которого точечно внедрены отдельные изолированные сегменты хромосом его дикого многолетнего брата — ячменя луковичного (Hordeum bulbosum). Перед биологами стояла задача выяснить, какие именно участки чужой ДНК заставят одомашненный злак омолаживаться после сбора урожая.
Проверка жизнеспособности новых гибридов проходила в комбинированных условиях. Сначала растения поместили в специализированную высокотехнологичную климатическую камеру, где ученые полностью сымитировали двухлетние сезонные циклы с чередованием тепла, засухи и прохлады.
Результаты лабораторного этапа оказались впечатляющими: более половины всех протестированных гибридных линий продемонстрировали мощное вегетативное возобновление роста. При этом две трети из успешно возродившихся растений не просто дали свежие зеленые побеги, но и смогли повторно зацвести и сформировать полноценный колос со спелыми зернами во втором жизненном цикле.
Однако параллельные испытания на открытых экспериментальных полях в центральной Швеции показали, что реальная природа гораздо суровее лабораторных условий. Большинство гибридов успешно пошли в рост после первого скашивания, но не смогли пережить скандинавские зимние заморозки.
Глубокий математический и генетический анализ выявил, что на способность к многолетнему выживанию критическое влияние оказывает сорт культурного ячменя, который использовался в качестве родительской основы.
Ученые заметили, что при скрещивании дикого родителя с популярным сортом Эмир (Emir) гибриды получались более крепкими и давали больше продуктивных стеблей. С помощью метода главных компонентов исследователи буквально подетально картографировали хромосомы и нашли точные координаты генов многолетности. Выяснилось, что у гибридов на основе сорта Эмир за способность к мощному повторному росту отвечали внедренные участки хромосом Hordeum bulbosum, расположенные на плечах 2HL и 4HL.
В то же время у гибридных линий, созданных на базе сорта Морекс (Morex), аналогичные свойства проявлялись только при интеграции диких генов в плечо хромосомы 1HL. Оба эти сорта являются классическими эталонами в генетике злаковых культур (например, «Морекс» стал первым сортом ячменя, чей геном был полностью расшифрован учеными).
Тот факт, что многолетний рост гибридов пока наблюдается исключительно в мягком искусственном климате, привел шведских ученых к следующему выводу.
Для создания полноценного вечного ячменя в условиях холодного умеренного климата недостаточно просто дать растению генетическую команду заново отрастать после покоса. Культуре необходима комплексная адаптация к суровой северной зиме, которая включает тонкую настройку фотопериода (реакции на длину светового дня), яровизации (потребности в зимнем охлаждении для запуска цветения) и прямую устойчивость к глубоким заморозкам.
Теперь авторы исследования планируют использовать выделенные линии с наилучшими показателями повторного роста для повторного скрещивания с элитными морозостойкими сортами северного генофонда. Такая стратегия позволит объединить многолетность и иммунитет к холоду.