Повышение дневных и ночных температур угрожает производству риса, пшеницы и кукурузы, нарушая рост растений, налив зерна и его качество, что ставит под угрозу глобальную продовольственную безопасность. Точная селекция и редактирование генома предлагают способы перепрограммирования биологических часов растений, оптимизации структуры цветения и соцветия, а также защиты качества зерна в условиях теплового стресса.
Мировые зерновые страны, производящие рис, пшеницу и кукурузу, сталкивается с двойными проблемами: растущим населением и быстрым потеплением климата. По мере повышения глобальных температур урожайность сельскохозяйственных культур не успевает за спросом, и, по оценкам ученых, для обеспечения продовольственной безопасности к 2050 году темпы роста урожайности этих трех основных культур должны увеличиться на ошеломляющие 37%, пишет в статье Международный научно-исследовательский институт риса (IRRI).
Особенно коварная и часто недооцениваемая угроза — это повышение ночных температур, которые увеличиваются почти вдвое быстрее, чем дневные. Эта ночная жара нарушает тонкие внутренние ритмы растений, вызывая дисбаланс «источник-поглотитель», когда энергия, вырабатываемая днем, тратится впустую на чрезмерное дыхание ночью, что в конечном итоге приводит к замедлению роста зерна и снижению его качества.
В недавно опубликованном обзоре в журнале Trends in Plant Science ученые из Международного института исследований риса и Института молекулярной физиологии растений им. Макса Планка проанализировали, как понимание генетической регуляции цветения, архитектуры растения и налива зерна может стать основой для разработки климатоустойчивых сортов с устойчивой урожайностью и качеством зерна.
Авторы утверждают, что если «зеленая революция» XX века основывалась на стабильном, более прохладном климате, то в современную эпоху необходимы стратегии точной селекции для преодоления стагнации производства сельскохозяйственных культур, наблюдаемой в регионах с низким уровнем дохода и дефицитом продовольствия.
Перепрограммирование биологических часов растений
Одно из наиболее инновационных решений, обсуждаемых в обзоре, заключается в манипулировании циркадным ритмом растений, чтобы помочь культурам избежать самых сильных жарких периодов. Выявляя и корректируя «гены-термометры», ученые могут разрабатывать сорта, которые цветут раньше, до того, как температура достигнет пика.
Например, у риса ген OsMADS51 был идентифицирован как ключевой фактор, обеспечивающий термоустойчивость на критических стадиях колошения и налива зерна. Аналогично, у кукурузы исследователи нацелены на «вечерний комплекс» — группу генов, включающую ZmELF3 и ZmLUX, которые координируют цветение и адаптацию на разных широтах. Модифицируя эти гены циркадных часов, селекционеры могут обеспечить стимулирование тонкого процесса цветения в условиях теплового стресса.
Создание более эффективной архитектуры растений
Помимо сроков созревания, архитектуру соцветия растения можно изменить для максимизации эффективности количества зерен на метелке. В обзоре подчеркивается потенциал таких генов, как DEP1, у риса, который образует плотные, прямостоячие метелки, создающие более благоприятный микроклимат для растения. Эти прямостоячие структуры обеспечивают лучшее распределение света и скорость фотосинтеза даже в условиях теплового стресса.
Кроме того, ученые исследуют сосудистые магистрали растения — пучки, транспортирующие сахарозу к развивающимся зернам. Выявив такие гены, как SPIKE, GIF1, SPL14 и APO1-HI1, которые увеличивают количество первичных ветвей и сосудистых пучков, исследователи могут улучшить «поглощающую способность» зерна, обеспечивая эффективную доставку питательных веществ даже при высоких температурах, угрожающих нарушить этот процесс.
Редактирование генов для улучшения качества зерна
Молекулярная инженерия предлагает, пожалуй, самые точные и революционные инструменты для обеспечения продовольственной безопасности. В обзоре подробно описывается прорыв, связанный с прайм-редактированием, в ходе которого исследователи ввели элементы теплового шока в промотор гена риса GIF1. Эта целенаправленная генетическая модификация увеличила скорость завязывания семян на 10,5% в условиях теплового стресса за счет повышения способности растения перемещать сахара в зерна.
Другие молекулярные решения направлены на поддержание качества зерна; высокие температуры часто приводят к образованию меловых зерен, которые становятся хрупкими и менее ценными. Открытие гена QT12, который действует как негативный регулятор качества зерна, предоставляет селекционерам мишень для отключения путей, приводящих к образованию меловых зерен при высоких температурах.
Интегрированные инновации для комплексных решений
В обзоре подчеркивается, что для масштабного внедрения этих инноваций и решения проблемы снижения урожайности при одновременно высоких дневных и ночных температурах необходим целостный подход. Это включает в себя использование геопространственного моделирования для мониторинга очагов перегрева в режиме реального времени, что позволит фермерам и селекционерам разрабатывать стратегии по внедрению конкретных климатически устойчивых сортов в зависимости от их местоположения.
Кроме того, инструменты ускоренной селекции используются для ускорения разработки сортов следующего поколения, сокращая время, необходимое для внедрения жароустойчивых признаков из лаборатории в поле. Расширяются возможности применения методов точного редактирования генома для тонкой настройки целевых генов, контролирующих цветение, увеличение количества зерен и лучшее наполнение зерна, что позволит решить проблемы, связанные с изменением климата.
Авторы предполагают, что, объединив эти структурные, временные и молекулярные инновации, можно поддерживать устойчивый рынок зерновых, удовлетворяющий потребности растущего населения мира без ущерба для качества зерна основных продуктов питания, удовлетворяющий рыночный спрос и обеспечивающий продовольственную и пищевую безопасность.
Источник: International Rice Research Institute.