Идентифицирован ключевой ген адаптации кукурузы к засухе: корневая система играет решающую роль
Международное исследование под руководством Университета Бонна показало важную роль корневой системы кукурузы — культуры, способной успешно расти в очень разных локальных условиях.
Исследователи проанализировали более 9 000 сортов и смогли показать, что их корни значительно различаются — в зависимости от того, насколько сухим является место, где культивировался каждый сорт.
Также был идентифицирован важный ген, играющий роль в способности растения к адаптации. Этот ген может стать ключом к выведению сортов кукурузы, лучше справляющихся с изменением климата.
Результаты недавно опубликованы в Nature Genetics.
Эволюция корневой системы от теосинте к кукурузе
Исследование охватило около 9 000 сортов кукурузы и 170 сортов её дикого предка — теосинте. Для анализа раннего развития корней семена проращивали на специальной коричневой бумаге, которую сворачивали в форме сигары и хранили вертикально в узких стеклянных стаканах.
«Примерно через 14 дней после прорастания мы разворачивали бумагу, чтобы наблюдать за ранним развитием корней без помех от прилипшей почвы», — объясняет профессор д-р Франк Хоххольдингер.
Совместно с группой д-ра Роберта Коллера (Исследовательский центр Юлиха) рост корней в почве изучали с помощью магнитно-резонансной томографии.
Ключевые различия в архитектуре корней
Результаты показали радикальное изменение структуры корней в процессе доместикации:
- У сортов кукурузы вскоре после прорастания часто обнаруживаются зародышевые (семядольные) корни — у некоторых сортов их может быть 10 и более. У теосинте этого не наблюдается.
- Зародышевые корни дают проросткам преимущество в оптимальных условиях, позволяя быстро поглощать большое количество питательных веществ.
- Однако при этом страдает развитие боковых корней, которые особенно важны для поглощения воды, так как значительно увеличивают площадь поверхности корня.
Адаптация к засухе и генетическая основа
Количество зародышевых корней значительно варьирует в зависимости от сорта:
- Сорта кукурузы, адаптированные к засушливым условиям, образуют значительно меньше зародышевых корней и больше боковых корней.
- Фермеры прошлого, неосознанно отбирая такие растения, способствовали развитию именно этой корневой структуры.
Исследователи идентифицировали более 160 генов-кандидатов, ответственных за рост зародышевых корней. Один из них, ген ZmHb77, был изучен детально.
«Мы заметили, что растения с этим геном образовывали больше зародышевых и одновременно меньше боковых корней», — говорит Хоххольдингер.
Намеренное «выключение» этого гена у некоторых растений позволило изменить структуру корней так, что они стали лучше переносить периоды засухи.
«Таким образом, этот ген важен для выведения засухоустойчивых сортов, — заключает исследователь. — Ввиду изменения климата эти сорта будут становиться всё более важными, если мы хотим избежать всё большего числа неурожаев в будущем».