Ген AG1 контролирует доступность сахара в семенах риса и выживание под водой
Учёные из Калифорнийского университета в Риверсайде и Международного научно-исследовательского института риса (IRRI, Филиппины) выяснили, как семена риса могут выживать при выращивании под водой.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Plants, идентифицировало ген, контролирующий доступность сахара для растущего побега семени — особенно в условиях затопления.
«Семя риса необычно тем, что может прорастать и превращаться в молодое растение, способное улавливать световую энергию, даже когда весь процесс происходит под водой», — сказала Джулия Бейли-Серрес, профессор генетики. — «Выявленный ген — AG1 — помогает в этом процессе, позволяя эффективно перемещать энергетические резервы из семени в растущий побег. Семя, посаженное под водой, прорастает в сеянец, способный «сбежать» с мелководья».
Этот процесс, регулируемый новым геном, противоположен процессу, регулируемому геном SUB1A, который позволяет растениям риса пережить полное погружение во время сезонного паводка. «Растения с SUB1A essentially hibernate when they are underwater; a situation where energy reserves are safeguarded», — пояснила Бейли-Серрес.
Неожиданное открытие
AG1 создаёт механизм «пан или пропал», который обманывает семя, заставляя его направлять больше сахара в побег (часть растения, из которой развиваются стебли и листья). Это позволяет семени под водой быстрее расти и достигать поверхности. Механизм работает на глубине до 10 см и активируется, как только семя высевается под воду.
«Ген AG1 — один из семейства из 13 генов в рисе», — объяснила Бейли-Серрес. — «Мы считаем, что этот важный ген сообщает клетке, что у неё недостаточно сахара, оставляя «кран открытым» для его перемещения из семени в растущий побег».
Выживание под водой и прямой посев
Способность риса выживать под водой важна для прямого посева, когда семена не нужно предварительно проращивать и пересаживать. Это упрощает процесс для фермеров.
Кроме того, одно из главных ограничений прямого посева — сорняки, которые хорошо прорастают на воздухе, но не под водой без воздуха. Если рис может прорастать под водой, а сорняки — нет, то рис получает конкурентное преимущество.
Загадка отсутствующего гена
«Я заметил, что у сортов Indica (в основном выращиваемых в тропической Азии) очень слабо выражена способность расти в условиях затопления», — сказал первый автор исследования Тобиас Кречмар из IRRI. — «А у Japonica (температурные регионы Азии, Австралии, США) этот признак присутствует. Поэтому у этих сортов меньше проблем с прямым посевом».
Признак отсутствует у многих современных сортов Indica, хотя у традиционных он был. «Мы проверили от трети до половины сортов, выпущенных IRRI, но гена там нет», — отметил Кречмар.
Поиск причины и ответа
Исследователь IRRI Энданг Септинингсих, инициировавшая проект, искала, но не нашла негативного влияния AG1 на урожайность (yield penalty).
«Мы считаем, что ген был утрачен», — сказал Кречмар. — «И мы знаем, когда: на этапе селекции знаменитого «чудесного риса» IR8, у одного из родителей был этот ген, а у другого — нет».
«Думаю, в этом признаке просто не было необходимости, потому что сорта почти всегда пересаживали», — предположил он. — «Но теперь, когда прямой посев набирает популярность, мы осознали, что этот ген нужен в селекционной программе».
Путь вперёд
Работа команды далека от завершения. «AG1 хорошо работает в условиях умеренного стресса. Когда мы совместили его с геном SUB1A в одном генетическом фоне, они работали хорошо, несмотря на противоположные механизмы», — сказала Септинингсих. — «Однако в условиях сильного стресса одного AG1 недостаточно — потребуются дополнительные количественные признаковые локусы (QTL) или гены, дополняющие механизм AG1».
Другой важный вопрос — может ли семя, предназначенное для прямого посева под водой (требующее стратегии «побега»), также нести ген SUB1A для устойчивости к погружению. Этот вопрос исследуется совместно с Бейли-Серрес и студенткой из Бангладеш Рейджаной Алам, которая участвовала в характеристике роли AG1 во время прорастания семян.