Генетический прорыв в исследовании пшеницы: открыт ключевой ген архитектуры колоса

Новое исследование изолировало ген, контролирующий форму и размер колосков пшеницы. Это открытие может помочь селекционерам повысить урожайность одной из важнейших мировых культур.

Команда из John Innes Centre установила, что обнаруженный генетический механизм также важен для архитектуры соцветий у ряда других основных злаков, включая кукурузу, ячмень и рис.

Идентификация гена, отвечающего за агрономически значимый признак, представляет собой важную веху в исследованиях пшеницы — культуры с печально известным сложным геномом.

Результаты, опубликованные в журнале The Plant Cell, дают селекционерам новый инструмент для ускорения глобальной работы по улучшению пшеницы. Исследование также демонстрирует спектр современных методов для фундаментальных исследований этой самой массовой в мире сельхозкультуры.

Wheat Initiative, координирующая глобальные исследования пшеницы, определила архитектуру соцветия как один из ключевых признаков, который необходимо улучшить для достижения требуемого ежегодного прироста урожайности в 1.6%, чтобы прокормить растущее население планеты.

Доктор Скотт Боден из John Innes Centre, чья лаборатория генетики сельхозкультур руководила исследованием вместе с коллегами из Австралии и Кембриджа, заявил, что это прорыв как в лаборатории, так и в поле:

"Эта работа — пример того, на что мы теперь способны в исследованиях пшеницы благодаря множеству доступных ресурсов. Мы прошли путь от поля к лаборатории и обратно. Это ген развития, который влияет на множество агрономически важных признаков. Эти знания и ресурсы, полученные в ходе исследования, можно использовать, чтобы проверить, действительно ли это повышает урожайность... Мы подошли к этому с академической точки зрения, но двигались в сторону предоставления селекционерам инструментов для оптимизации развития соцветий."

Разнообразие архитектуры соцветий поколениями использовалось селекционерами для повышения урожайности, и генетическая вариация этого признака обладает потенциалом для дальнейшего увеличения производства зерна.

Исследование было сосредоточено на генетике конкретного мутантного признака у хлебной пшеницы, известного как парные колоски, когда соцветие состоит из двух колосков вместо обычного одного. Этот признак, напоминающий формирование цветков у кукурузы и риса, является вариацией, которая может привести к увеличению урожая.

Используя ряд методов, включая трансформацию растений, секвенирование генов и speed breeding, исследователи изучили линии пшеницы с парными колосками, полученные из картировочной популяции multi-parent advanced generation intercross (MAGIC) — популяции яровой пшеницы, созданной как инструмент для изучения генетического происхождения значимых признаков.

Исследование показало, что ген TEOSINTE BRANCHED1 (TB1) регулирует архитектуру соцветия пшеницы, способствуя формированию парных колосков через механизм, который задерживает цветение и снижает экспрессию генов, контролирующих развитие боковых ветвей — колосков.

Дальнейший анализ выявил, что аллели, модифицирующие функцию TB1, присутствуют в широком спектре основных современных сортов пшеницы, используемых селекционерами в Великобритании и Европе. Также было установлено, что вариантные аллели для TB1 присутствуют на двух из трех геномов пшеницы у озимых и яровых сортов.

Генетический анализ также показал, что TB1 связан с другим давно известным геном — так называемым геном Зеленой революции Rht-1, который контролирует высоту растений.

Будущие исследования определят, не являются ли некоторые эффекты, приписываемые Rht-1, на самом деле эффектами TB1.

Авторы исследования утверждают, что ген TB1 также важен для разнообразия архитектуры соцветий у ряда других злаков, включая кукурузу, ячмень и рис, — и научное сообщество, изучающее эти культуры, уже проявило интерес к статье.

Доктор Боден надеется, что одним из результатов этой работы станет привлечение большего числа молодых исследователей к выбору пшеницы в качестве объекта для проектов по изучению развития растений.