Исследователи из Оксфордского университета, Нанкинского сельскохозяйственного университета и Института генетики и биологии развития (Китайская академия наук) наконец-то идентифицировали главный регулятор роста растений, который уравновешивает рост корней и побегов при ограничении питательных веществ. В полевых испытаниях урожайность риса с улучшенной версией гена увеличилась до 24%. Это открытие, опубликованное в журнале Science, в конечном итоге может улучшить мировые урожаи сельскохозяйственных культур, одновременно снизив зависимость от агрохимических удобрений.
Азотные удобрения необходимы для современного растениеводства. Как правило, в ответ на дефицит азота зерновые культуры вкладывают больше энергии в рост корней для поиска питательных веществ в ущерб развитию побегов и производству зерна. Хотя в дикой природе это адаптивный подход, такой компромисс ограничивает сельскохозяйственную продуктивность.
До настоящего времени молекулярный механизм, запускающий этот процесс изменения развития, оставался неизвестным. В новом исследовании ученые не только идентифицировали ответственный за это ген, но и продемонстрировали, что манипулирование им у риса может поддерживать рост побегов и урожайность даже при низком уровне азота.
В контролируемых экспериментах в теплице и полевых условиях исследователи показали, что растения риса, лишенные функциональной версии гена WRINKLED1a, утратили способность вкладывать больше ресурсов в рост корней в условиях низкого содержания азота и имели замедленный рост побегов при избытке азота. Напротив, растения, генетически модифицированные для сверхэкспрессии этого гена, демонстрировали более сильный рост как корней, так и побегов, а также более постоянное соотношение корней и побегов при изменении уровня азота во внешней среде.
Проведя скрининг более 3000 сортов риса, команда выявила естественную версию гена, которая экспрессируется сильнее, и скрестила её с растениями риса, несущими более слабую версию. В ходе трёх полевых испытаний, проведённых в провинциях Хайнань и Аньхой (Китай), растения риса с этим улучшенным аллелем поддерживали более стабильное соотношение корней и побегов в различных условиях азотного питания и давали более высокие урожаи при низком внесении удобрений. Это привело к увеличению урожая на 23,7% при низком внесении азотных удобрений (120 кг/га) и на 19,9% при высоком внесении удобрений (300 кг/га).
Соавтор исследования, доктор Чже Цзи (кафедра биологии, Оксфордский университет и исследовательский центр Calleva), говорит: «Наше исследование ясно показывает, что этот регулятор является перспективной мишенью для устойчивого улучшения сельскохозяйственных культур. Было удивительно наблюдать разницу, которую улучшенная версия гена оказала на урожайность риса во время наших полевых испытаний».
Исследовательская группа продемонстрировала, что WRINKLED1a выполняет различные функции в побеге и корне. В побеге он действует как активатор, включая ключевой регуляторный ген (NGR5), который способствует ветвлению побега. В корнях WRINKLED1a активирует гены, участвующие в поглощении азота. Он также нарушает образование белкового комплекса, который обычно препятствует накоплению ауксина — растительного гормона, способствующего росту корней. Интересно, что WRINKLED1a не нарушает этот белковый комплекс в побеге, что показывает, что его функции являются тканеспецифичными.
Рис является основной сельскохозяйственной культурой для более чем половины населения мира, однако мировые урожаи находятся под угрозой из-за изменения климата: исследования показывают, что каждое повышение температуры на 1°C в течение сезона выращивания риса может снизить урожайность более чем на 8%.
Азотные удобрения являются одной из крупнейших статей расходов при выращивании риса — около трети от общих производственных затрат для некоторых фермеров. Таким образом, новые результаты, позволяющие фермерам поддерживать высокую урожайность, одновременно снижая зависимость от агрохимических удобрений, могут оказать значительное влияние на глобальную продовольственную безопасность.
Ведущий автор исследования, доктор Шань Ли (Нанкинский сельскохозяйственный университет, Китай), добавил: «WRINKLED1a помогает рису избежать обычного компромисса «больше корней, меньше побегов» в условиях дефицита азота, обеспечивая стабильные урожаи при меньшем внесении азота. Следующий шаг — исследовать, можно ли использовать гомологичные гены в других культурах, таких как пшеница и кукуруза, для достижения аналогичных результатов».
Источник: University of Oxford.
