Открытие нового гена поможет в создании устойчивых к климату культур

Исследователи впервые выяснили, как ключевой ген растений позволяет им эффективнее использовать энергию, стимулируя рост корней и улучшая поглощение воды и питательных веществ.

Международная команда учёных под руководством Университета Пенсильвании в сотрудничестве с Ноттингемским университетом обнаружила новый регуляторный ген bHLH121, который позволяет корням кукурузы поглощать больше воды и питательных веществ. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Science.

Ген контролирует образование воздушных полостей (аэренхимы) в живой ткани корня. Замена значительной части клеток корня воздушными пространствами экономит энергию растения, которая иначе тратилась бы на питание этих клеток. Это повышает метаболическую эффективность корней, позволяя перенаправить сэкономленные ресурсы на формирование большей корневой массы, более эффективное освоение почвы и поглощение воды и питательных веществ.

Это открытие может привести к выведению культур, устойчивых к засухе и почвам с низким содержанием азота, что в конечном итоге смягчит проблему глобальной продовольственной безопасности.

Для исследования использовались мощные инструменты визуализации, разработанные ранее в Университете Пенсильвании, которые позволили быстро измерить клетки в тысячах корней. Ключевой стала техника Laser Ablation Tomography, которая теперь также доступна в Ноттингемском университете.

Полевые эксперименты, начатые в 2010 году, включали выращивание более 500 линий кукурузы на участках в Пенсильвании, Аризоне, Висконсине и Южной Африке. Исследование показало, что мутантные линии кукурузы без гена bHLH121 демонстрировали сниженное образование воздушных полостей в корнях. Напротив, сверхэкспрессия этого гена вызывала увеличение их формирования.

Характеристика этих линий в условиях недостатка воды и азота в разных локациях показала, что ген bHLH121 необходим для образования корневой аэренхимы и предоставляет селекционерам новый инструмент для отбора сортов с улучшенным освоением почвы и, как следствие, более высокой урожайностью в неоптимальных условиях.

Это открытие особенно важно в контексте изменения климата. Засуха представляет наибольший риск для производителей кукурузы, а азотные удобрения — самые большие финансовые и экологические затраты при её выращивании. Выведение более эффективных линий стало бы серьёзным прорывом.