Исследовательская группа под руководством Ван Кэцзяня из Китайского национального НИИ риса ранее разработала первый в мире клональный гибрид риса. Он способен самовоспроизводиться через клонированные семена (апомиксис), сохраняя 100% полезных гибридных свойств из поколения в поколение без снижения урожайности.
Команда Ван Кэцзяня официально отчиталась о поведении клонированного риса в реальных полевых условиях на протяжении нескольких поколений, пишет Global Times.
Серия Fix8 достигает более 99,7% эффективности клонирования и устраняет необходимость в сложном ежегодном производстве семян. Кроме того, открыт и описан ген «Huaxu».
Ученые впервые детально расшифровали и представили конкретный ген, который отвечает за запуск партеногенеза (развития зародыша без оплодотворения) в яйцеклетках риса. Ученые назвали ген в честь Хуасюй (Huaxu) — богини из китайской мифологии, которая, согласно легенде, забеременела без участия мужчины, просто наступив на след великана.
Ген Huaxu заставляет яйцеклетку риса развиваться в эмбрион без оплодотворения, имитируя естественный сигнал сперматозоида. Команда Ван Кэцзяня использовала этот механизм, чтобы обойти половой процесс. В природе запуск деления яйцеклетки происходит только после слияния со сперматозоидом, который приносит ключевые белки-активаторы (факторы транскрипции). Ученые настроили систему в два этапа:
1. Подмена сигнала (партеногенез)
В обычном рисе ген Huaxu активен исключительно в сперматозоидах. Генетики изменили регуляторную область гена так, чтобы он принудительно активировался прямо внутри неоплодотворенной яйцеклетки (эктопическая экспрессия). Получая белок гена Huaxu, яйцеклетка «думает», что оплодотворение уже произошло.Включается генетическая программа эмбриогенеза, и клетка начинает делиться сама по себе.
2. Сохранение двойного набора ДНК (технология MiMe)
Если запустить только ген Huaxu, яйцеклетка разовьется в гаплоид — бесплодное растение с половинным набором хромосом. Поэтому биологи объединили его с технологией MiMe (Mitosis instead of Meiosis). С помощью редактирования CRISPR-Cas9 они отключили три гена нормального мейоза. В результате яйцеклетка формируется не с половинным, а с полным (двойным) набором материнской ДНК.
В итоге, технология MiMe сохраняет 100% гибридной ДНК материнского растения, а ген Huaxu заставляет эту клетку вырасти в полноценное семя. Так как чужая пыльца в процессе не участвует, новое семя становится точной генетической копией родителя.
Для мирового рисоводства появление клонального риса означает крупнейшую технологическую революцию со времен «Зеленой революции» 1960-х годов.
Раньше фермеры были вынуждены покупать дорогие семена гибридов F1 у семеноводческих корпораций каждый год. Если посадить семена, собранные с собственного урожая (поколение F2), они расщеплялись: рис вырастал разной высоты, созревал в разное время, а урожайность падала на 20–30%. Теперь фермер может купить клональный рис один раз и затем годами использовать часть собственного собранного урожая в качестве семян. Они не теряют гетерозис (гибридную силу) и дают стабильно высокий урожай из года в год.
Стоимость коммерческих гибридных семян всегда была высокой из-за сложного процесса их производства вручную на специальных полях. Клональный рис размножается сам. Это снизит затраты на семена в десятки раз (по оценкам китайских экспертов, до $0,3–$0,7 за полкилограмма). Для беднейших аграрных регионов Азии и Африки это сделает высокоурожайный рис доступным. Из-за дороговизны обычных гибридных семян многие бедные хозяйства до сих пор используют старые сортовые линии с низкой урожайностью. Доступность клональных семян позволит массово перевести эти регионы на гибриды, что, по прогнозам, может удвоить глобальный сбор риса без увеличения посевных площадей.
С технологией клонального риса селекционеры могут взять любой удачный гибрид с уникальными свойствами (например, устойчивый к засухе или болезням) и зафиксировать его генетическую структуру в первом же поколении.
Автор фото: Ван Кэцзянь, ведущий профессор и исследователь в Китайском национальном научно-исследовательском институте риса (CNRRI) и Китайской академии сельскохозяйственных наук (CAAS).