Новый инструмент дает ученым возможность изучать метаболические процессы в листьях, стеблях и корнях клементина — одной из важнейших цитрусовых культур. Он будет способствовать увеличению урожайности, улучшению вкусовых качеств и повышению питательной ценности цитрусовых даже при всё более сложных условиях выращивания и увеличении числа вредителей.
Для разработки этого инструмента команда под руководством ученых из Калифорнийского университета в Сан-Диего сосредоточилась на клементине (Citrus clementina), который является гибридом мандарина и сладкого апельсина.
Ожидается, что данная работа выйдет за пределы клементинов и предоставит практическую информацию для повышения урожайности и качества широкого спектра цитрусовых и других культур.
Стратегия заключается в выявлении и использовании новых знаний о том, как растения реагируют на такие факторы окружающей среды, как температура, засуха и болезни, с учетом метаболической активности в отдельных частях растения или дерева.
Инструмент и комплексная модель генома Citrus clementina были опубликованы в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Группу возглавляют исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего, сотрудничая с коллегами из Калифорнийского университета в Риверсайде и Автономного университета Юкатана.
«Совместными усилиями мы создали инструмент, который откроет новые возможности для улучшенного проектирования культур и устойчивого сельского хозяйства как для Citrus clementina, так и для широкого спектра цитрусовых и нецитрусовых растений», — заявил профессор Калифорнийского университета в Сан-Диего Карстен Зенглер, ответственный автор статьи.
В университете Зенглер работает на кафедрах биоинженерии, педиатрии, а также в Центре инноваций в области микробиома и в программе по материаловедению и инженерии.
«Наш подход к моделированию на основе данных является мощным инструментом для селекции и выращивания цитрусовых, а также для повышения урожайности и качества культур, что отвечает растущему мировому спросу на высококачественную продукцию», — отметил Зенглер.
Геномный инструмент высокого разрешения был создан как технологическая платформа, которую можно расширять для поддержки исследований и совершенствования широкого спектра цитрусовых и других культур. Практическая информация получена на основе обширных новых механистических исследований метаболизма растений в листьях, стеблях, корнях и других тканях ключевых сельскохозяйственных культур.
Например, детально разработанная модель метаболизма клементина включает 2616 генов, 8653 метаболита и 10654 реакций.
«Мы создали семь целевых функций биомассы на основе органоспецифической метаболомики листьев, стеблей, корней и семян, а затем экспериментально подтвердили работу модели — задача не из легких для растения со средней продолжительностью жизни около 50 лет. Эта модель является одной из крупнейших геномных моделей, когда-либо созданных для любого организма, включая человека», — рассказывает ученый.
Модель носит название iCitrus2616. Она с высокой точностью моделирует метаболизм Citrus clementina и позволяет анализировать экономически важные сценарии.
Например, исследователи демонстрируют, как определенные питательные вещества могут способствовать увеличению производства крахмала и различных видов целлюлозы, что в свою очередь может повысить прочность и жесткость клеточных стенок цитрусовых растений. Это важно для повышения их устойчивости к механическим нагрузкам и засухе.
Исследователи также применили новый инструмент для демонстрации способов увеличения содержания в Citrus clementina соединений, отвечающих за вкус, таких как флавоноиды.
Команда объединила органоспецифичные модели листьев, стеблей и корней в единую модель всего растения. Используя эту интегрированную модель, ученые показали, как флавоноиды и гормоны распределяются по всему растению.
Кроме того, исследователи ограничили модель метаболизма клементина данными об уровне экспрессии генов в симптоматических и бессимптомных тканях листьев и корней за четыре сезона в период позеленения цитрусовых, вызванного бактериальной инфекцией, которая ежегодно наносит сельскому хозяйству миллионы долларов убытков.
В рамках данного проекта были обнаружены тканеспецифичные метаболические адаптации, в том числе изменения в распределении энергии, производстве вторичных метаболитов и путях реакции на биотический стресс, а также получено понимание механизма прогрессирования заболеваний.
Исследователи подчеркивают, что эта работа является важным шагом в области моделирования высших организмов, особенно растений.
«Я считаю, что подобные модели в ближайшем будущем смогут значительно помочь в селекции сельскохозяйственных культур. Благодаря этим моделям мы стремимся сделать важнейшие селекционные процессы более надежными и быстрыми. Уже на предварительных этапах исследований мы наблюдаем положительное влияние таких моделей на стратегии, основанные на данных, для оптимизации роста растений», - отметил Зенглер.
Источник: University of California - San Diego.