Ген «вечной зелени» из 118-летнего эксперимента повышает урожайность кукурузы
Ген кукурузы, идентифицированный в ходе 118-летнего эксперимента в Университете Иллинойса, может повысить урожайность современных элитных гибридов без дополнительных затрат. Ген, описанный в недавнем исследовании в Plant Biotechnology Journal, контролирует критический этап старения (сенесценции) или сезонного отмирания растений. Когда ген «выключен», урожайность полевых элитных гибридов в среднем повышается на 4.6 бушеля с акра по сравнению со стандартными растениями.
Эксперимент в Иллинойсе, начатый в 1896 году, был предназначен для проверки, можно ли изменить состав зерна кукурузы с помощью искусственного отбора — концепции, введённой Чарльзом Дарвином всего за 37 лет до этого. Повторный отбор линий с высоким и низким содержанием белка дал ожидаемый эффект примерно через 10 поколений. Однако по мере продолжения отбора стали заметны дополнительные изменения.
«Одной из вещей, отмеченных ещё в 1930-х годах, было то, что линия с низким содержанием белка остаётся зелёной дольше, чем линия с высоким содержанием белка. Это очень очевидно», — говорит Стивен Мус, профессор кафедры растениеводства в Иллинойсе и соавтор исследования.
Более долгое сохранение зелёного цвета в сезоне может означать более высокую урожайность. Растение продолжает фотосинтез и направляет энергию на развитие зерна. Но до сих пор не был известен конкретный ген, ответственный за этот признак «вечной зелени» у кукурузы.
«Признак «вечной зелени» подобен «источнику молодости» для растений, поскольку он продлевает фотосинтез и улучшает урожайность», — говорит Энн Сильвестр, программный директор Национального научного фонда (NSF), финансировавшего это исследование. — «Это великое фундаментальное открытие с практическим воздействием».
Открытие гена стало возможным благодаря десятилетнему государственно-частному партнёрству между Университетом Иллинойса и компанией Corteva Agriscience. Мус и его коллеги из Иллинойса предоставили учёным Corteva доступ к популяции, полученной из долгосрочного эксперимента по содержанию белка в кукурузе и различающейся по признаку «вечной зелени». Учёные Corteva картировали этот признак до конкретного гена — NAC7 — и создали растения кукурузы с низкой экспрессией этого гена. Как и родительская линия с низким содержанием белка, эти растения дольше оставались зелёными. Их тестировали в теплицах и полях по всей стране в течение двух полевых сезонов.
Без гена NAC7 кукуруза не только нормально росла, но и её урожайность увеличилась почти на 5 бушелей с акра по сравнению с обычными гибридами. Примечательно, что полевые результаты были достигнуты без дополнительного внесения азотных удобрений сверх типичной нормы фермеров.
«Сотрудничество с Университетом Иллинойса даёт нам возможность применить передовые технологии к одному из самых продолжительных исследований в генетике растений», — говорит Цзюнь Чжан, научный сотрудник Corteva Agriscience и соавтор исследования. — «Полученные нами знания могут привести к увеличению урожая без роста затрат, потенциально повышая как прибыльность, так и продуктивность для фермеров».
Команда Муса затем секвенировала ген NAC7 в линиях кукурузы с высоким и низким содержанием белка и смогла выяснить, как именно ген способствует старению и почему он перестал работать в линии с низким содержанием белка.
«Мы могли видеть, какой именно была мутация. Похоже, она произошла когда-то за последние 100 лет этого эксперимента, и, к счастью, сохранилась, так что мы можем извлечь из неё пользу сейчас», — говорит Мус.
Он не может точно сказать, когда произошла мутация, потому что в 1920-х годах сотрудники факультета растениеводства выбросили исходные семена 1896 года.
«Они тогда не могли знать, что мы однажды сможем идентифицировать гены, контролирующие эти уникальные признаки. Но мы искали в другой кукурузе и не находим этой мутации», — говорит Мус.
Будущий потенциал этой инновации может включать коммерциализацию семян с отсутствующей или сниженной экспрессией гена NAC7, что даст фермерам возможность получать больший урожай без дополнительных затрат на удобрения.
Мус подчёркивает, что этот прогресс был бы невозможен без участия обеих сторон партнёрства.
«В проведении таких долгосрочных экспериментов есть ценность для семенной индустрии и общества. Меня спрашивают, зачем университетским учёным заниматься исследованиями кукурузы, когда компании это делают», — говорит он. — «Ну да, они это делают, и могут работать в большем масштабе и быстрее, но они не часто вкладываются в исследования, отдача от которых может занять десятилетия».