Выбор твердой красной яровой пшеницы в качестве объекта исследования обусловлен ее стратегической важностью для мирового рынка продовольствия. Этот класс пшеницы отличается самым высоким содержанием белка и клейковины, что делает его незаменимым сырьем для хлебопекарной промышленности и производства высококачественной муки. Поскольку культура имеет яровой тип развития, она выращивается в регионах с суровыми зимами и коротким вегетационным периодом, где растения регулярно подвергаются жесткому воздействию летней засухи и жары. Понимание генетической структуры позволяет защитить ценный сегмент зернового экспорта от климатических рисков.
Исследование было организовано группой ученых из ведущих аграрных университетов и исследовательских центров США при поддержке профильных ассоциаций растениеводов. Основная цель авторов заключалась в том, чтобы провести полную инвентаризацию генетического багажа, накопленного селекционерами за последние сто лет.
Ученые стремились выяснить, не привела ли непрерывная гонка за максимальной продуктивностью к критическому обеднению генофонда современной пшеницы. Селекционерам требовалось точно определить, какие важные предковые аллели были утеряны в процессе одомашнивания и интенсивного скрещивания, чтобы вернуть их в оборот для защиты культуры от новых эволюционирующих патогенов.
Генетическое картирование показало, что вековая селекция коренным образом перестроила архитектуру растений, сделав их более приземистыми и устойчивыми к полеганию за счет повсеместного внедрения генов карликовости.
В современных сортах твердой красной яровой пшеницы доминирующими оказались несколько ключевых аллелей, сменявших друг друга из-за экологических вызовов.
С 1960-х годов основу мировой селекции короткостебельной пшеницы составляли два главных гена, нечувствительных к гибберелловой кислоте (гормону роста):
- Rht-D1b — этот аллель стал абсолютным доминантом сразу после Зеленой революции и оставался самым популярным в программах селекции яровой пшеницы на протяжении трех десятилетий (с 1960-х по 1990-е годы).
- Rht-B1b — на этот аллель селекционеры массово переключились в 1990-х годах. Сдвиг произошел из-за разрушительных эпидемий фузариоза колоса, так как растения с геном Rht-B1b демонстрировали лучшую сортовую устойчивость к этой опасной болезни по сравнению с линиями, несшими Rht-D1b.
Интересным открытием генетиков стало то, что в некоторых районах Северных равнин США классические гены Зеленой революции (Rht-B1b и Rht-D1b) теряют свою эффективность: в условиях сильной засухи их влияние на высоту стебля снижается.
Из-за этого в современных коммерческих сортах последних десятилетий начали доминировать другие, альтернативные гены карликовости, которые чувствительны к гормонам роста:
- Rht24 и Rht25 — присутствовали в старых генотипах в ничтожно малых концентрациях, но в последние годы их частота в современных элитных линиях резко возросла.
- Супер-комбинация. Ученые обнаружили, что совместное сочетание аллелей в локусах Rht24 и Rht25 позволяет эффективно уменьшать высоту пшеницы и защищать ее от полегания даже без использования стандартных генов Зеленой революции, что критически важно для сохранения урожая в более сухом и жарком климате.
Разница между этими двумя группами генов карликовости заключается в том, как именно они блокируют рост стебля: на уровне производства растительного гормона или на уровне восприятия этого гормона клетками. Речь идет о гиббереллинах (гибберелловой кислоте) — главном гормоне, который заставляет клетки растения растягиваться в длину, формируя высокий стебель.
Нечувствительные к гормонам гены (Insensitive / Rht-B1b, Rht-D1b) «Зеленой революции». Они не мешают растению вырабатывать гормон роста, но делают его «слепым» к нему.
Механизм. Ген кодирует дефектный белок-репрессор. Этот белок блокирует рецепторы, которые должны улавливать гиббереллин. Даже если растение выработает огромное количество гормона роста, клетки его просто не «услышат» и не начнут удлиняться.
Плюсы. Стабильно удерживают высоту растения на одном (низком) уровне практически в любых условиях.
Минусы. Из-за «глухоты» к гормону у пшеницы укорачивается не только стебель, но и колеоптиль (первый защитный лист, пробивающий почву). В итоге семена приходится сажать очень мелко. Если посадить их глубоко или в сухую почву, всходы не смогут пробиться на поверхность.
Чувствительные к гормонам гены (Sensitive / Rht24, Rht25). Эти гены действуют тоньше. Растение прекрасно «слышит» и воспринимает гормоны, но сами гены регулируют то, сколько этого гормона вырабатывается в тканях или в какой момент его производство нужно заблокировать.
Механизм. Они вмешиваются в саму цепочку биосинтеза гиббереллина (например, ген Rht24 кодирует фермент, который направляет ресурсы клетки на другие нужды, снижая общую концентрацию гормона роста в стебле). Стебель остается коротким, потому что ему физически не хватает «стройматериала» для роста.
Плюсы. Они снижают высоту стебля, но не укорачивают колеоптиль. Пшеницу с такими генами можно сеять глубоко — туда, где есть влага. Росток легко пробьет слой земли, а уже после выхода на поверхность сформирует прочный, низкий и устойчивый к ветрам стебель.
Минусы. Их работа сильнее зависит от внешней среды. В условиях экстремальной жары или засухи баланс гормонов может сдвигаться, из-за чего высота растений одного и того же сорта может слегка варьироваться от сезона к сезону.
Комбинация генов Rht24 и Rht25 стала настоящим спасением для засушливых регионов, поскольку она устранила главный недостаток классических короткостебельных сортов — уязвимость на этапе посева и ранних всходов.
Кроме того, сами по себе гены Rht24 или Rht25 по отдельности снижают высоту стебля довольно умеренно. Но когда селекционеры объединяют их в одном сорте (создают так называемую двойную комбинацию аллелей), проявляется кумулятивный эффект. Пара генов снижает высоту растения до оптимального уровня, который необходим для эффективной механизированной уборки комбайном. При этом, в отличие от генов Зеленой революции, комбинация Rht24 + Rht25 не угнетает развитие корневой системы и площадь флагового листа. Растение сохраняет мощный корень, способный добывать воду из глубины, и здоровый листовой аппарат для налива крупного зерна.
Однако эта оптимизация имела свою цену, так как коммерческий отбор привел к заметному сужению генетического разнообразия в современных элитных линиях. Анализ выявил опасную тенденцию к генетической однородности среди новейших сортов, что делает обширные посевы уязвимыми перед масштабными эпидемиями болезней.
Авторы пришли к выводу, что для дальнейшего селекционного прогресса необходимо целенаправленно использовать генетический материал сортов столетней давности, возвращая в ДНК современной твердой красной яровой пшеницы забытые природные механизмы устойчивости.
