Обнаружен ген, повышающий температурную устойчивость пшеницы

Генные редакторы помогли идентифицировать фактор температурной устойчивости, который может защитить пшеницу от всё более непредсказуемых вызовов изменения климата.

Исследователи из группы профессора Грэма Мура в Центре Джона Иннеса сделали открытие в ходе экспериментов по изучению фертильности пшеницы при воздействии высоких или низких температур. Статья "DMC1 stabilizes crossovers at high and low temperatures during wheat meiosis" опубликована в Frontiers in Plant Science.

Фертильность и, следовательно, урожайность пшеницы сильно зависят от температуры, особенно на начальных стадиях мейоза, когда хромосомы родительских клеток конъюгируют и спариваются для создания семян следующего поколения.

Мейоз у пшеницы наиболее эффективно протекает при температурах от 17 до 23°C. Известно, что развивающаяся пшеница плохо переносит высокие температуры и может давать сбои также при низких летних температурах.

Выявление генетических факторов, помогающих стабилизировать фертильность пшеницы за пределами оптимальных температур, критически важно для выведения устойчивых к климату культур будущего.

Предыдущие исследования указывали на главный мейотический ген DMC1 как на вероятного кандидата для сохранения мейоза пшеницы при низких и высоких температурах.

Исследователи использовали методы генного редактирования, чтобы удалить DMC1 из сорта пшеницы Chinese Spring, а затем провели серию контролируемых экспериментов для наблюдения за влиянием разных температур на мейоз у мутантных растений.

Эксперименты показали, что примерно через неделю ген-отредактированные мутантные растения были значительно поражены при выращивании при температуре 13°C: у 95% растений наблюдалось снижение числа кроссинговеров.

На другом конце температурной шкалы растения пшеницы, выращенные при 30°C, также показали сниженное количество кроссинговеров по сравнению с контрольными растениями.

Результаты подтверждают гипотезу о том, что DMC1 отвечает за сохранение мейотических кроссинговеров при низких и, в меньшей степени, высоких температурах.

Учитывая, что сокращение числа кроссинговеров значительно влияет на урожайность зерна, эти результаты имеют важное значение для селекционеров пшеницы в условиях изменения климата.

Профессор Мур заявил: "Благодаря генному редактированию мы смогли выделить ключевой ген температурной устойчивости в пшенице. Это даёт повод для оптимизма в поиске ценных новых признаков в то время, когда изменение климата бросает вызов способам выращивания наших основных культур".

Следующий этап исследования — поиск вариантов гена DMC1, которые обеспечивают большую защиту пшенице, и изучение того, как дозировка и уровень экспрессии этого гена могут влиять на защиту от более широких колебаний температуры.

Испытания на температурную устойчивость проходят в Кордове (Испания), где регулярные температуры 30–40°C представляют угрозу для фертильности и урожайности пшеницы.

Исследование также подчёркивает, что DMC1 — глубоко консервативный ген, контролирующий температурную устойчивость у пшеницы и во всём царстве растений, включая другие основные культуры.

Предыдущие исследования, цитируемые в работе, на примере вида японского тритона также показывают, что фертильность нарушается при температурах ниже 13°C и что температурный эффект связан с активностью DMC1.

Данная работа следует за более ранним прорывом группы Мура, которая идентифицировала ген пшеницы (ZIP4), ответственный за правильное спаривание хромосом и сохранение урожайности, но который также препятствует внедрению полезных новых признаков от диких родственников пшеницы, подавляя обмен хромосомами.

Используя технологию генного редактирования, исследователи разделили двойную функцию ZIP4, чтобы он сохранял урожайность, но позволял легче скрещивать пшеницу с дикими родственниками. Это может внести генетическое разнообразие в элитные сорта, включая такие признаки, как устойчивость к жаре и болезням.

Профессор Мур добавил: "Изменение климата, вероятно, окажет негативное влияние на мейоз и, следовательно, на фертильность пшеницы и, в конечном итоге, на урожайность, поэтому скрининг коллекций зародышевой плазмы для выявления термоустойчивых генотипов является высоким приоритетом для будущего улучшения сельскохозяйственных культур".