Расшифровка генетического банка сорго: адаптация сельского хозяйства к изменению климата

Изменение климата — серьёзный вызов для способности человечества прокормить растущее население. Новое исследование сорго под руководством Стивена Кресовича и Джеффа Морриса из Университета Южной Каролины обещает сделать эту культуру ценным активом в решении этой задачи. Работа, опубликованная в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), предоставляет генетические инструменты учёным и селекционерам для ускорения адаптации сорго к новым условиям.

Сорго — выносливая зерновая культура, одомашненная около 10 000 лет назад на Африканском Роге, сейчас выращивается по всему миру. Это засухоустойчивое зерно — важная часть рациона для 500 миллионов человек, в основном в Африке к югу от Сахары и в Индии. В США, где его выращивают на корм скоту, устойчивость сорго к климатическим стрессам проявилась во время сильной засухи 2012 года.

Международный проект расшифровал геном культивируемого вида Sorghum bicolor (опубликован в Nature в 2009 г.). Этот геном представляет генетический «учёт» одной особи. Но, как и у людей, у отдельных растений сорго есть генетические различия, лежащие в основе физических признаков. Цель текущего исследования — установить связь между генетическими различиями и физическими признаками, что станет мощным инструментом для селекционеров.

Международная команда использовала метод генотипирования секвенированием (GBS), чтобы определить индивидуальный генетический состав 971 сорта сорго из мировых коллекций семян. Учёные идентифицировали более четверти миллиона однонуклеотидных полиморфизмов (SNP) — отдельных «букв» генетического кода, по которым различаются сорта.

Это стало возможным благодаря огромному генетическому ресурсу, собранному за почти столетие в семенных банках, где образцы часто сопровождались данными о дате и географическом происхождении.

Особое внимание в работе уделено генетическому контролю строения метёлки — структуры на верхушке растения, несущей зёрна. Этот признак важен для успешной селекции с учётом климата. Например, плотно расположенные зёрна предпочтительны для максимальной урожайности в засушливых районах, а в регионах с обильными осадками нужно большее расстояние между зёрнами для лучшего высыхания и снижения потерь от болезней.

Исследователи выявили гены, вероятно влияющие на этот признак, и нанесли их на карту в соответствии с происхождением исходных семян. Это дало понимание того, как разные варианты генов распространялись в зависимости от регионального климата — от окраин Сахары до дождливых высокогорий Восточной Африки.

Результаты «предоставят ресурсы для всех селекционеров сорго в мире», — сказал Моррис. Цель — ускорить традиционную селекцию, которая занимает годы выращивания, скрещивания и тестирования.

Это особенно важно, поскольку полузасушливые регионы, где сорго является основной культурой, сильнее всего пострадают от изменения климата. Сорта, которые сейчас там процветают, нужно будет адаптировать к новым условиям, что требует времени. «Проблемы в сельском хозяйстве усугубляются, поэтому наши инструменты для улучшения культур должны идти в ногу со временем», — отметил Моррис.

Следующий шаг — геномная селекция, запланированная на следующий год. Этот метод использует компьютерный анализ для выбора наиболее перспективных кандидатов для полевых испытаний. «Вы можете сократить селекционный цикл на годы, — пояснил Моррис. — Вместо выращивания тысяч сортов вы тестируете тысячи вариантов in silico и отбираете несколько сотен лучших для выращивания следующего поколения».