Наиболее полный генетический анализ кукурузы поможет повысить урожайность и расширить ареал выращивания

Международная исследовательская группа с участием 17 институтов, включая Cold Spring Harbor Laboratory, опубликовала наиболее полный на сегодняшний день анализ генома кукурузы. Это достижение значительно углубляет понимание учеными различий между родственными видами этого растения, а также природы различий внутри отдельных видов кукурузы.

Ожидается, что исследование ускорит разработку улучшенных сортов кукурузы — одной из важнейших мировых сельскохозяйственных культур.

Анализ представлен в двух статьях, опубликованных онлайн 3 июня в журнале Nature Genetics. Работа исследователей, поддержанная Министерством сельского хозяйства США (USDA) и являющаяся результатом двух текущих проектов Национального научного фонда (NSF) по изучению разнообразия кукурузы, проливает свет не только на замечательное генетическое разнообразие кукурузы, но и на её эволюцию и продолжение диверсификации по мере адаптации к меняющемуся климату и условиям обитания.

Потенциальная ценность новых знаний очевидна: только в США урожай кукурузы в прошлом году был оценен в $76 млрд, а 12 млрд бушелей, произведённых американскими фермерами, составили более трети мирового предложения. Это крупнейшая культура в мире, обеспечивающая пищей миллиарды людей и скота, а также критически важное сырьё для производства биотоплива.

Структурные вариации и генетические маркеры

Одна из двух опубликованных статей, отражающая работу научной группы под совместным руководством Дорин Уэйр, Ph.D. (Служба сельскохозяйственных исследований USDA, адъюнкт-профессор CSHL), в сотрудничестве с учёными USDA, изучила генетическую структуру, взаимосвязи и порядок отдельных генов более чем в 100 разновидностях дикой и одомашненной кукурузы.

В статье, ведущим автором которой является Джер Минг Чиа, Ph.D., описывается, как структура генома может сильно различаться у разных сортов кукурузы; как структурные вариации внутри генома могут оказывать серьёзное влияние на такие признаки, как архитектура растения и устойчивость к болезням; и как геном кукурузы, по словам Чиа, «по сути, всё ещё находится в движении». Команда также обнаружила значительные вариации в физическом размере геномов разных сортов.

Размер генома у разных сортов кукурузы может отличаться на целых 25%. Команда подтвердила, что такие большие различия между видами в значительной степени обусловлены наличием повторяющихся генетических последовательностей, называемых транспозонами. В то же время различия в геномах внутри одного вида, как правило, вызывались изменениями в очень маленьких сегментах ДНК, называемых микросателлитной ДНК.

Результаты расширяют выводы исследования 2009 года, в котором был представлен генетический план кукурузы и идентифицировано около 1 миллиона генетических маркеров — однонуклеотидных полиморфизмов (SNP).

Используя сложный популяционно-генетический подход, Уэйр, Чиа и коллеги идентифицировали 55 миллионов SNP в 103 линиях вида Zea mays и у представителя родственного рода Tripsacum dactyloides. Это достижение, как ожидается, значительно расширит возможности учёных и селекционеров по отслеживанию и отбору ценных регионов генома для улучшения целевых признаков.

Эволюция от теосинте до современной культуры

Вторая опубликованная статья, отражающая исследование под руководством доктора Джеффа Росс-Ибарры из Калифорнийского университета в Дэвисе, даёт беспрецедентное представление о том, как кукуруза эволюционировала от дикого растения теосинте до сегодняшней повсеместной культуры.

Исследователи идентифицировали сотни генов, сыгравших роль в преобразовании кукурузы, и показали, что этот переход был в значительной степени достигнут древними фермерами, впервые одомашнившими её тысячи лет назад. Они также обнаружили, что с момента одомашнивания кукурузы многие изменения в паттернах экспрессии генов в результате современных усилий по селекции были сосредоточены на генах, отобранных за гетерозис (гибридную мощь). Это явление, открытое генетиком растений CSHL Джорджем Шаллом в 1908 году, при котором гибридное потомство двух разных инбредных родителей обладает превосходными качествами (например, плодовитостью) по сравнению с родителями.