Чайное растение (Camellia sinensis) — источник сырья для одного из самых популярных напитков в мире, а размер молодых почек напрямую влияет как на урожайность, так и на качество. Более крупные почки могут увеличить массу листьев, в то время как для разных сортов чая требуется определённое соотношение почек и листьев для соответствия стандартам обработки. Однако генетические регуляторы, контролирующие размер почек, остаются недостаточно изученными, что ограничивает прогресс в селекции.
Исследования показывают, что развитие побегов растений чая в целом зависит от сетей факторов транскрипции, включая регуляторные пути KNOX, но их функции в чае до конца не изучены. В связи с этими трудностями необходимо провести углубленные исследования для выявления ключевых генов, регулирующих размер чайных почек.
Ученые из Института исследований чая Китайской академии сельскохозяйственных наук провели комплексное исследование, используя цифровое фенотипирование, геномный анализ ассоциаций и сравнительную транскриптомику. Результаты были опубликованы в журнале Horticulture Research.
Группа исследователей изучила 280 различных образцов чая и определила ген KNOX класса I, CsKNOX6, как основной негативный регулятор размера почек. Сверхэкспрессия CsKNOX6 у Arabidopsis thaliana значительно уменьшала площадь листьев, что подтверждает его роль в ограничении роста органов.
Используя фенотипирование на основе изображений, исследователи количественно оценили длину, ширину, периметр и площадь бутонов у 280 образцов зародышевой плазмы чая. Эти признаки демонстрировали непрерывную изменчивость и высокую наследуемость, что указывает на сильный генетический контроль. Сравнительный транскриптомный анализ образцов с экстремальным размером бутонов выявил четыре кандидата на транскрипционные факторы KNOX класса I со значительно более высокой экспрессией у сортов с мелкими бутонами.
Среди них, согласно данным общегеномного картирования ассоциаций, наиболее вероятным ключевым регуляторным геном является CsKNOX6. CsKNOX6 расположен на хромосоме 10, а его последовательность указывает на ядерную локализацию, что согласуется с транскрипционной регуляторной активностью.
Чтобы подтвердить его функцию, исследователи вызвали повышенную экспрессию CsKNOX6 у Arabidopsis thaliana. Трансгенные растения продемонстрировали аномальное развитие побегов и заметно меньшие размеры листьев, площадь которых сократилась до 13% от показателей дикого типа. Эти данные подтверждают вывод о том, что CsKNOX6 действует как негативный регулятор размера почек и листьев.
«Размер почек — критически важный признак как для агрономической продуктивности, так и для товарного качества чая. Выявление CsKNOX6 даёт прямую генетическую цель для селективного разведения, включая улучшение с помощью маркеров. Хотя функциональные испытания на Arabidopsis дают веские основания, будущее редактирование генов или трансгенная валидация на чайных растениях будут иметь решающее значение для подтверждения регуляторных механизмов у многолетних древесных видов. Это открытие закладывает основу для стратегий прецизионной селекции, направленных на повышение урожайности, однородности и товарной пригодности сортов чая», — подчеркнули исследователи.
Идентификация гена CsKNOX6 открывает новые возможности для создания сортов чая с оптимизированным размером почек для различных производственных целей, таких как создание высококачественных чаев, собираемых вручную, или высокоурожайных сортов, собираемых механическим способом. Этот ген может быть интегрирован в программы молекулярной селекции посредством отбора по однонуклеотидным полиморфизмам (SNP) или генного редактирования для точной настройки развития. Кроме того, методы цифрового фенотипирования, использованные в данном исследовании, обеспечивают эффективную основу для оценки характеристик побегов в крупных коллекциях гермоплазмы.
В конечном счете, эта работа развивает стратегии генетического улучшения, которые могут повысить урожайность чая, качество его переработки и экономическую ценность.
Источник: Chinese Academy of Sciences; Horticulture Research, DOI: 10.1093/hr/uhaf051