Связывание данных о генетике, признаках и окружающей среде расширяет возможности селекционеров
Понимание того, как условия окружающей среды и генетика влияют на сельскохозяйственные культуры, необходимо для выведения более устойчивых и продуктивных сортов. Однако сложное взаимодействие между погодой и генами трудно распутать, отчасти потому, что растения с одинаковым генотипом могут по-разному реагировать на меняющиеся условия. Эта динамика называется фенотипической пластичностью и является основным направлением исследований Цзяньмина Ю, профессора агрономии в Университете штата Айова.
Новое исследование его команды и коллег направлено на то, чтобы уделить больше внимания пластичности, показав системный подход к извлечению информации из данных, связывающих признаки растений, генетику и погодные условия.
Количественная основа для изучения пластичности
«Мы создали количественную основу для селекционеров и генетиков, чтобы понять пластичность и изучить все соответствующие аспекты одновременно», — сказал Ю.
Результаты команды, описанные в недавней статье в Genome Research, основаны на предыдущих исследованиях большой популяции кукурузы, хорошо изученной за последние два десятилетия. Популяция для вложенного ассоциативного картирования кукурузы (maize nested association mapping population) включает 5000 линий, выращенных в 11 локациях.
Новое исследование, возглавляемое Ю, интегрирует геномику 26 основателей этой популяции (секвенированную в 2021 году командой Мэтью Хаффорда) с наблюдениями за признаками и историческими погодными данными. Учёные проанализировали более 20 миллионов генетических маркеров в поисках основы 19 характеристик кукурузы в различных условиях окружающей среды на протяжении её цикла развития.
Результаты и перспективы
«Потрясающе иметь возможность определить первичный экологический фактор на критической стадии роста, формирующий паттерн пластического ответа популяции кукурузы, и связать его с геномными генетическими вариантами», — отметил Ю.
Долгосрочная цель — направлять селекционные усилия, облегчая прогнозирование того, как вывести кукурузу с более высокой урожайностью или большей устойчивостью к экстремальным условиям. Например, статистический анализ, описанный в статье, позволил с точностью более 90% предсказать время цветения непроверенных генотипов в непроверенных средах. Точность прогнозов архитектуры растений и компонентов урожайности была ниже, хотя некоторые отдельные признаки в обеих категориях превышали 50%.
Важность комплексного подхода
По мере изменения климата извлечение дальнейших улучшений из культур становится всё более важным. Наибольшие перспективы имеют селекционные достижения, использующие комплексные подходы — большие наборы данных, включающие условия реального поля.
«Мы считаем, что большинство исследований, использующих высокие технологии, рассматривают лишь небольшое подмножество материала. Для решения крупных проблем нужна сложность естественных полевых условий. Именно там мы получим наше производство», — сказал Ю.
Команда поделилась собранными данными на публичном сайте MaizeGDB, чтобы другие исследователи могли развивать эту работу. Ю надеется, что их методики анализа данных, проливающие свет на фенотипическую пластичность, будут использоваться учёными, работающими с другими растениями.
«Ценность больше в методе, чем в конкретных результатах. Это интересный и ценный способ взглянуть на данные», — заключил он.