Исследование, опубликованное в журнале Cell 13 декабря, было проведено группой профессора Сюй Цао из Института генетики и биологии развития (IGDB) Китайской академии наук.
2050 год быстро приближается, и производительность сельского хозяйства должна увеличиться на 60%, чтобы прокормить прогнозируемое население мира в 10 миллиардов человек. Однако текущее производство сельскохозяйственных культур недостаточно и, как ожидается, ухудшится из-за абиотического стрессового бремени изменения климата.
Повышение температуры на 2 °C в течение вегетационного периода приведет к потере урожая на 3–13%. Чтобы обеспечить глобальную продовольственную безопасность и преодолеть узкие места в селекции, ученым необходимо срочно разработать «климатически-умные» культуры, которые обеспечивают более высокую урожайность в нормальных условиях и стабильную урожайность в условиях теплового стресса.
Физиологической основой урожайности и качества сельскохозяйственных культур является отношение источник-акцептор. Ткани-источники (например, листья) являются чистыми производителями фотоассимилятов, т. е. в первую очередь углеводов, таких как сахароза. Напротив, ткани-акцепторы (например, плоды, семена, корни, развивающиеся цветы, волокна хлопка и запасающие органы) являются чистыми импортерами, которые используют или хранят фотоассимиляты.
Ген инвертазы клеточной стенки (CWIN) является важнейшим геном, регулирующим отношения источник-акцептор в растениях. Фермент, кодируемый этим геном, выгружает и преобразует сахарозу, транспортируемую из листьев, в глюкозу и фруктозу в приемных органах, где эти сахара могут напрямую поглощаться и использоваться.
Эти сахара не только являются необходимыми питательными веществами для развития плодов и семян, но и существенно влияют на их качество и пищевые характеристики.
Тепловой стресс подавляет активность CWIN и, таким образом, нарушает баланс источника и акцептора, что приводит к недостаточному поступлению энергии в акцепторные органы, замедлению репродуктивного развития и снижению урожайности.
В своем новом исследовании профессор Сюй Цао и его команда разработали стратегию, основанную на климатически-чувствительной оптимизации распределения углерода по поглотителям (CROCS) путем рационального управления экспрессией генов CWIN в плодовых и зерновых культурах – в данном случае, в растениях риса и томата.
Они точно вставили 10-bp элемент теплового шока (HSE) (прим.факторы транскрипции теплового шока (HSF) представляют собой семейство ДНК-связывающих белков, которые регулируют экспрессию генов на транскрипционном уровне) в промоторы генов CWIN в элитных сортах риса и томатов, используя разработанные ими высокоэффективные инструменты редактирования праймов. Вставка HSE наделяет CWIN чувствительным к теплу повышением регуляции как в контролируемых, так и в полевых условиях, что улучшает распределение углерода в зернах риса и плодах томатов.
Так, многосезонные испытания урожайности томатов в различных условиях выращивания, включая теплицы и открытый грунт, показали, что в нормальных условиях стратегия CROCS увеличивает урожайность томатов на 14–47%.
В условиях теплового стресса эта стратегия увеличила урожайность плодов на делянку на 26–33% по сравнению с контрольными образцами и спасла 56,4–100% потерь урожая плодов, вызванных тепловым стрессом. Примечательно, что такие аспекты качества плодов, как однородность и содержание сахара, были значительно улучшены по сравнению с немодифицированными контрольными образцами.
Кроме того, сорта риса, улучшенные с помощью этой стратегии, не только показали рост урожайности на 7–13% в обычных условиях, но и показали рост урожайности зерна на 25% по сравнению с контрольными образцами в условиях теплового стресса. В частности, до 41% потерь зерна, вызванных жарой, были спасены в рисе.
Профессор Сюй отметил, что CROCS - это эффективная, универсальная, основанная на редактировании система для быстрого улучшения урожая, которая прокладывает путь к быстрому созданию климатически-умных культур путем целенаправленной вставки экологически чувствительных цис-регуляторных элементов. Стратегия также предоставляет эффективные инструменты редактирования генов и осуществимые операционные процедуры для фундаментального изучения реакций растений на стресс.
Исследователи также отметили, что эта стратегия селекции теперь испытывается на сое, пшенице и кукурузе.
Источник: Chinese Academy of Sciences.
Заглавное фото: Медведева Анна, AgroXXI.ru.
