Глобальные температуры поверхности Земли повысились из-за изменения климата. 2024 год стал самым жарким за всю историю наблюдений. Он был на 1,60°C теплее, чем в доиндустриальный уровень, что сделало его первым календарным годом, когда температура превысила этот уровень на 1,5°C. Экстремальные погодные явления, такие как волны жары, вероятно, будут происходить чаще. Эта тенденция создает проблемы для мирового сельского хозяйства, поскольку урожайность основных сельскохозяйственных культур снижается из-за теплового стресса.
Рис является основным продуктом питания для более чем половины населения мира. В связи с быстрым ростом населения в странах Азии и Африки прогнозируется, что спрос на рис увеличится на 12% к 2033 году по сравнению с 2021–2023 годами. Следовательно, необходимы эффективные стратегии адаптации риса к жаре для обеспечения продовольственной безопасности растущего населения планеты.
Ученые из Национальной организации сельскохозяйственных и пищевых исследований Японии (NARO), других японских исследовательских институтов и Международного института исследований риса (IRRI) обнаружили у лекарственного дикого риса ген, который помогает ему избегать жары на наиболее чувствительной стадии цветения.
Ген, получивший название EMF3 (Early Morning Flowering 3), переносит цветение риса на раннее утро, когда температура ниже. Благодаря более раннему цветению рис может избежать теплового стресса, который в противном случае снизил бы формирование зерен и урожайность в тропических и субтропических регионах. Результаты исследования опубликованы в журнале Plant Biotechnology Journal .
Рис обычно цветет с 10 утра до полудня, когда температура в ряде стран Азии и Африки достигает своего суточного пика (33–35°C). Тепловой стресс в этот период, который, как ожидается, усилится в условиях глобального потепления, может нарушить оплодотворение, приводя к стерильности колосков («потенциальных зерен») и, следовательно, к снижению урожайности. Ген EMF3, в частности его вариант emf3-1D, сдвигает цветение на 1,5 часа раньше, значительно улучшая фертильность зерна в условиях высоких температур.
Для доктора Цутому Ишимару из японского научно-исследовательского института NARO это открытие представляет собой прорыв. «Это позволяет рису «избегать жары» на самой критической стадии его развития, защищая удобрения и гарантируя фермерам возможность собирать урожай даже при экстремальных температурах», — сказал он.
По словам исследователей, ни один другой сорт риса не содержит аллель emf3-1D. «По-видимому, это редкий вариант, который потенциально может использоваться во многих популярных сортах, включая индику и японику. Это свойство может быть полезно для производства гибридных семян, где важным фактором является согласование времени раскрытия цветков обеих родительских линий с одним и тем же временем суток», — сказал доктор Сунг-Рюль Ким, ученый из IRRI.
Исследователи уже внедряют emf3-1D в широко распространенные сорта риса, такие как IR64, Swarna (Индия), Pusa Basmati (Индия), TDK1 (Лаос), Sahel 329 (Западная Африка), Caiapo (Бразилия) и Toyomeki (Япония). Эти передовые линии служат прототипами, способными поддерживать плодородие зерна даже в жарких условиях.
«Аллель emf3-1D может применяться к различным сортам риса по всему миру посредством отбора ДНК-маркеров, предоставляя селекционерам мощный инструмент для разработки сортов риса с ранним цветением», — заявили доктор Хидеюки Хирабаяси из NARO и доктор Казухиро Сасаки из Японского международного исследовательского центра сельскохозяйственных наук (JIRCAS).
По словам доктора Инез Сламет-Лоедин, руководителя отдела генетического проектирования и валидации риса в IRRI, этот прорыв открывает возможности для применения методов редактирования генов, таких как прайм-редактирование, позволяющих быстро внедрять признак раннего утреннего цветения (emf3-1D) в элитные сорта риса, повышая устойчивость к жаре в тропических и умеренных рисовых экосистемах как для инбредных, так и для гибридных сортов.
Важно отметить, что EMF3 влияет только на время раскрытия цветков и не изменяет общий рост растения или урожайность при нормальных температурных условиях, что позволяет рису стать устойчивым к жаре без потери других ключевых характеристик.
Ишимару также подчеркнул: «Мы можем проводить жаркие дни в кондиционированных помещениях, но рисовые растения должны выдерживать жару в поле. Благодаря EMF3 они «просыпаются» рано, чтобы избежать теплового стресса, показывая, что иногда ранний подъем имеет ключевое значение не только для птиц, но и для сельскохозяйственных культур».
Источник: International Rice Research Institute. На фото вы видите растения риса в 8:30 утра: обычный рис слева не цветет, в то время как растение справа, несущее редкий аллель emf3-1D, уже начало цвести. Источник: International Rice Research Institute.
