Проект «Снижение чувствительности рапса к заморозкам в Австралии» решает важную проблему национального сельского хозяйства — защиту миллиардных инвестиций фермеров от внезапных заморозков, которые приходятся на уязвимую стадию цветения культуры.
Рапс приносит Западной Австралии около 2,7 миллиарда долларов в год. Однако его выращивание требует огромных стартовых затрат на семена, удобрения и технику. Если в период цветения ударяют заморозки, фермеры теряют весь потенциальный урожай и несут колоссальные финансовые убытки.
Проект «Снижение чувствительности рапса к заморозкам в Австралии» был запущен Правительством Западной Австралии совместно с Корпорацией исследований и разработок в области зерновых культур (GRDC).
Ученые хотят найти или создать такой генетический материал (гермоплазму), при котором рапс сможет формировать здоровые, жизнеспособные стручки даже после воздействия отрицательных температур.
На экспериментальных полях в Австралии под руководством доктора Брентона Леске разворачивают координатные сетки из сотен датчиков температуры. Они измеряют микроклимат температуру как вокруг растений, так и внутри их тканей на разной высоте, сопоставляя силу заморозка с реальным уровнем повреждения тканей рапса. Датчики (термопары) вешают на специальные вертикальные колышки на разной высоте, например, 10 см от земли, 40 см (на уровне нижних стручков) и 80 см (на уровне цветков). Это нужно, чтобы понять, как холодный воздух затекает вглубь поля и какие именно части растения принимают на себя главный удар.
Чтобы сопоставить силу заморозка с реальными повреждениями, ученые используют два продвинутых метода, которые проникают внутрь биологических тканей. В стебли, черешки листьев или бутоны рапса вживляются тончайшие, как иголки, температурные сенсоры-микродатчики. Они в реальном времени фиксируют момент, когда жидкость внутри клеток начинает превращаться в лед.
Также используются тепловизоры высокой точности для инфракрасной термографии. Когда вода внутри растительной клетки замерзает, происходит физический процесс — выделяется так называемое скрытое тепло кристаллизации. Специальные инфракрасные камеры фиксируют эту микроскопическую вспышку тепла. На экранах компьютеров ученые видят, как по живым тканям рапса распространяется фронт ледяного поражения. Датчики на разной высоте и внутри тканей помогают австралийским генетикам точно определить критическую точку замерзания для каждого отдельного генотипа рапса.
Ученые ищут гены, регулирующие выработку белков, связывающих лед (они замедляют рост ледяных кристаллов) и осмопротекторы гены, которые заставляют клетку экстренно накапливать растворимые сахара и пролин. Это работает как автомобильный антифриз — снижает температуру замерзания клеточного сока, сохраняя мембраны целыми).
Также определяются гены «зеленения семян» (Seed Degreening — например, семейство ABI3). Это критически важный аспект именно для рапса. Если стручок попадает под легкий заморозок, в семенах блокируется расщепление хлорофилла. Масло из таких зеленых семян получается горьким и некачественным. Исследователи ищут гены семейства ABI3, которые позволяют семенам успешно завершать метаболизм и разрушать зеленый пигмент даже после того, как растение подверглось сублетальному воздействию холода.
Поскольку есть прямая связь между физической высотой органов рапса и уровнем их повреждения, идет поиск локусов QTL (количественных признаков), которые управляют высотой заложения первых стручков и длиной подсемядольного колена (гипокотиля). Цель — генетически «приподнять» самые чувствительные органы растения над зоной приземного микроклимата, где скапливается самый морозный воздух.
Подбираются регуляторы окислительного стресса (семейство локусов BoCCA1 и аналоги). Заморозок вызывает у рапса химический шок (выделение токсичных активных форм кислорода). Ученые ищут маркеры наподобие BoCCA1-1R1, которые активируют внутренние антиоксидантные ферменты растения, помогая тканям не отмирать.
Ученые не конструируют гены с нуля. Они берут дикие международные сорта и старые популяции рапса, прогоняют их ДНК через полногеномный поиск ассоциаций (GWAS) и сопоставляют данные с датчиков температуры на полях. Те участки ДНК, которые совпали с выжившими на морозе стручками, объявляются целевыми маркерами для селекции.
По итогам работы селекционеры получат готовые маркеры и две новые гибридные популяции рапса с разной чувствительностью к холоду для дальнейшего выведения коммерческих «супер-сортов».