Новое исследование предлагает биотехнологический подход для улучшения гибридной селекции сои
Соя (Glycine max) — одна из наиболее экономически и социально значимых культур в мире. Она обеспечивает значительный процент всего белка для кормления животных в глобальном масштабе и играет ключевую роль в производстве масла, промышленности и биоэнергетике. В 2022 году в США было произведено около 4.3 миллиарда бушелей сои, что почти на 200 миллионов бушелей меньше, чем в предыдущем году.
Чтобы удовлетворить растущий спрос на соевые корма, USDA прогнозирует увеличение посевных площадей под сою на 19.6% к 2032 году. Гибридная селекция сои может повысить продуктивность одной из самых распространенных культур в Америках, однако этот подход до сих пор оставался малоизученным.
Новое исследование ученых из Центра наук о растениях имени Дональда Данфорта и Корнеллского университета предлагает ключевую технологию для создания системы облигатного ауткроссинга (перекрестного опыления) у сои. Опубликованная работа "Introduction of barnase/barstar in soybean produces a rescuable male sterility system for hybrid breeding" в журнале Plant Biotechnology Journal показала, что система Barnase/Barstar создает новый ресурс для увеличения выхода гибридных семян, позволяя проводить масштабные испытания на гетерозис у этой важной культуры.
В настоящее время соя на 99% самоопыляема, что исключает преимущества гибридизации. Гибридная селекция для повышения жизнеспособности используется более века для увеличения урожайности без дополнительных затрат. Хотя этот подход привел к значительному росту продуктивности многих культур, биологические барьеры не позволяли сое воспользоваться преимуществами гибридной силы (гетерозиса).
Цветки сои невзрачны и самоопыляются до раскрытия, что затрудняет перекрестное опыление. Существующие подходы не позволяли создать надежную систему облигатного ауткроссинга для сои.
Исследовательская группа продемонстрировала, что система мужской стерильности/восстановления фертильности Barnase/Barstar может быть использована в сое для производства гибридных семян. Экспрессия цитотоксической рибонуклеазы Barnase под контролем тапетум-специфичного промотора в пыльниках сои полностью блокировала созревание пыльцы, создавая мужски-стерильные растения. Также было показано, что фертильность можно восстановить в поколении F1 этих линий, экспрессирующих Barnase, при скрещивании с пыльцой растений, экспрессирующих ингибитор Barnase — Barstar.
«Ключевым моментом стало то, что успешное восстановление мужской фертильности зависит от относительной дозировки Barnase и Barstar. Когда Barnase и Barstar экспрессировались под одним и тем же тапетум-специфичным промотором, потомство F1 оставалось мужски-стерильным. Когда мы экспрессировали Barstar под относительно более сильным промотором, чем Barnase, нам удалось добиться успешного восстановления мужской фертильности в поколении F1», — сообщила Патрисия Балдрич, доктор философии, соавтор работы и главный исследователь в Центре Данфорта.
Эта работа демонстрирует успешное применение биотехнологического подхода для получения фертильного гибридного потомства у сои. Учитывая глобальную значимость сои для сельского хозяйства, прогресс в ее продуктивности может оказать преобразующее влияние и способствовать устойчивому земледелию, позволяя фермерам получать более высокие урожаи на существующих площадях.
«Улучшение сои — долгосрочная цель фермеров, селекционеров и ученых, — говорит Блейк Майерс, доктор философии, главный исследователь в Центре Данфорта и профессор наук о растениях в Университете Миссури. — Улучшения могут оказать потенциально существенный эффект — а также принести пользу и истощенным популяциям опылителей».
«Эта работа — первый шаг к созданию системы гибридной селекции для сои. Наблюдать за тем, как Николь Шелуга, аспирантка Корнеллского университета и ведущий автор статьи, ведет проект от замысла до реализации, было очень приятно. Я с нетерпением жду, как будет развиваться этот командный проект в ближайшие годы», — говорит автор-корреспондент Маргарет Франк, доктор философии, доцент Корнеллского университета в Школе интегративных наук о растениях.
Перекрестноопыляемая соя имеет потенциал для повышения урожайности благодаря так называемой «гибридной силе», обеспечения кормовой базы для опылителей и позволяет фермерам производить больше сои на меньших площадях. Для достижения этой цели команда сейчас работает над другими признаками цветка сои, которые в комбинации с мужски-стерильными линиями позволят создать системный подход для производства гибридных семян сои.