В попытке лучше понять, как растения сои улавливают и используют свет, исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн изучили, как размер и форма листьев влияют на распределение света внутри растительного покрова. Используя контролируемые генетические подходы, команда изменила форму листьев сои и обнаружила, что более узкие листья могут повысить эффективность использования растениями доступного света.
Данная работа проводилась в рамках проекта Realizing Increased Photosynthetic Efficiency (RIPE), международного исследовательского сотрудничества, направленного на улучшение использования солнечного света сельскохозяйственными культурами.
Исследование, опубликованное в журнале Plant Physiology, было проведено под руководством Элизабет Эйнсворт, директора RIPE и заведующей кафедрой физиологии сельскохозяйственных культур имени Чарльза Адлая Юинга в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн (UIUC).
Как более узкие листья повышают эффективность
«Просто изменив форму листа с широкой на узкую с помощью одного-единственного гена, мы уменьшили общую площадь листьев у наших соевых растений на 13% без потери урожая. Это означает, что растения делают больше с меньшими затратами — по сути, они становятся более эффективными в преобразовании солнечного света в семена», — сказал Бишал Таманг, научный сотрудник группы Эйнсворт и ведущий автор публикации.
Соя — одна из важнейших сельскохозяйственных культур в мире и основной источник белка, масла и корма для животных. Растения сои образуют густую крону с несколькими ярусами листьев. По мере роста растений верхние ярусы листьев, подверженные воздействию солнца, блокируют солнечный свет, который мог бы достигать нижних ярусов, находящихся в тени.
В природе наблюдаются вариации в площади и размере листьев сои: одни растения имеют длинные и тонкие листья, другие — большие и круглые. Однако современные сорта сои, как правило, тратят избыточную энергию на развитие крупных листьев, образующих густую крону, вместо того чтобы направлять эту энергию на рост сои.
«Вы можете себе представить, что когда листья большие и круглые, верхняя часть растения покрывает всю крону, а нижняя часто испытывает недостаток света. Но если мы сделаем листья узкими, мы откроем вертикальный профиль. Это означает, что мы повышаем эффективность использования света растением», — сказал Таманг.
Единственный ген, определяющий форму листа
Узкие листья у сои контролируются одним-единственным геном – GmJAG1. Используя стратегии контролируемой селекции, исследователи изменили экспрессию гена GmJAG1, чтобы разработать 204 различных линии сои. Эти линии демонстрировали широкий диапазон форм листьев, при этом имея практически идентичный генетический код.
Ученые сравнили продуктивность растений (количество соевых бобов и количество соевых бобов в стручке) с различиями в индексе листовой поверхности (площадь листьев на единицу площади земли), чтобы определить, обладают ли соевые растения с узкими листьями лучшей эффективностью использования света. Результаты показали, что для сортов с узкими листьями площадь листовой поверхности может быть уменьшена на 13% без негативного влияния на урожайность сои. Уменьшение площади листовой поверхности указывает на лучшее проникновение света через растительный покров. Растения сои с узкими листьями также давали большую долю стручков сои, содержащих четыре боба.
Оспаривание традиционных подходов к селекции
Эти результаты ставят под сомнение традиционные стратегии селекции сои, которые привели к неоптимальному проникновению света в растительный покров, и предполагают, что контроль формы листьев с помощью одного гена GmJAG1 является хорошим подходом к созданию ресурсоэффективных линий сои.
«В рамках проекта RIPE мы тестируем различные трансгенные стратегии для повышения эффективности фотосинтеза. Мы использовали вычислительные модели, чтобы показать, что многие из этих стратегий будут более эффективны в условиях высокой освещенности. Наши линии сои с меньшей площадью листьев обеспечивают улучшенную архитектуру листового покрова, которая, как мы считаем, повысит вероятность успешного достижения большей эффективности фотосинтеза с помощью наших трансгенных подходов», — сказала Эйнсворт.
В будущем эти изменения в архитектуре растительного покрова можно будет сочетать с другими стратегиями повышения эффективности использования света, воды и питательных веществ для увеличения общего урожая сои.
«Помимо улучшения фотосинтеза и урожайности, мы также хотим повысить эффективность использования воды нашими культурами, чтобы противостоять потеплению климата и увеличению испарительной активности», — заключила Эйнсворт.
Источник: University of Illinois at Urbana-Champaign. Автор: Бриттани Премпин.
На фото: полевые испытания сои с узко- и широколистными линиями. Автор фото: Бишал Таманг.
