Большая урожайность благодаря гетерозису: учёные расшифровали взаимодействие генов, лежащее в основе гибридной силы

При скрещивании двух гомозиготных линий растений с разными характеристиками их потомство часто оказывается более жизнеспособным и продуктивным, чем родители. Это явление называется гетерозисом. Его причинами могут быть доминирование положительных вариантов генов над отрицательными или сложные взаимодействия между множеством генов, которые "общаются" друг с другом и влияют друг на друга.

Исследовательская группа разработала новый статистический метод hQTL-ODS (Heterotic Quantitative Trait Locus—One-Dimensional Scan), который позволяет быстрее и точнее анализировать эти взаимодействия генов. Работа опубликована в журнале Nature Communications.

Вместо проверки миллиардов возможных комбинаций генов по отдельности, новый метод оценивает общий вклад каждого гена через его взаимодействия. В крупномасштабном исследовании пшеницы с участием более 5000 гибридов учёные выявили локусы, которые вносят наибольший вклад в гетерозис. В hQTL-ODS были реализованы различные математические техники, чтобы сделать анализ осуществимым для данных полногеномного секвенирования.

Преимущества нового метода очевидны. «Используя традиционные методы, нам потребовались бы годы, чтобы завершить тот же анализ», — объясняет первый автор исследования доктор Голян Ли. — «Однако с нашим новым подходом мы смогли завершить оценку всего за несколько дней. Это как если бы мы внезапно стали смотреть на геном через телескоп вместо увеличительного стекла».

«Мы увидели, что гетерозис вызывается генами, которые разговаривают друг с другом», — продолжает Голян Ли. — «Это похоже на оркестр, где дирижёр управляет, общаясь с музыкантами. Однако в случае гетерозиса нет одного дирижёра, который повышает конечную урожайность».

Таким образом, исследователи показывают, что именно совокупный эффект множества взаимодействий генов определяет гетерозис, а не влияние нескольких сильно доминантных генов.

Метод выявляет ранее скрытые генетические паттерны. «Наш метод также может обнаруживать слабые сигналы, которые раньше упускались из виду», — поясняет Голян Ли. — «Это как внезапно увидеть всю сеть кабелей, управляющую растением под поверхностью».

«Это исследование демонстрирует важность разработки передовых математических/статистических инструментов для понимания сложных биологических механизмов», — говорит доктор Йонг Цзян, исследователь из группы «Количественная генетика» и также один из ведущих авторов работы.

Новая модель предлагает новый подход к расшифровке генетической основы гетерозиса в эпоху полногеномного секвенирования и может быть применена к другим растениям, таким как кукуруза и рис.

Потенциально hQTL-ODS может помочь селекционерам идентифицировать сорта растений с выраженной гибридной силой. Это ускорит рост урожайности, что является важным вкладом в обеспечение продовольственной безопасности в условиях изменения климата и роста населения планеты.