Генная инженерия для повышения устойчивости риса к ночной жаре
Рисовые растения справляются с дневной жарой, но с заходом солнца им необходимо "остывать". Выведение сортов риса, толерантных к более высоким ночным температурам, стало фокусом селекционеров, поскольку исследования показывают, что ночи становятся теплее в крупнейших рисоводческих регионах.
Половина риса в США выращивается в Арканзасе. По данным USDA Economic Research Service, в штате засевается около 1.4 миллиона акров этой зерновой культуры, которая является основным продуктом питания для более половины населения мира.
"Селекционеры риса пытались включить гены толерантности в генетический фон арканзасских сортов, что является непростой задачей", — отмечает Вибха Шривастава, профессор биотехнологии растений. Однако, по её словам, возможен иной путь — генное редактирование, которое отличается от генной модификации, так как не вставляет чужеродные последовательности ДНК.
Шривастава вместе с коллегами обобщила эту тему в обзорной статье "Beat the heat: Breeding, genomics, and gene editing for high nighttime temperature tolerance in rice" в журнале Current Opinion in Plant Biology. Это первый, по их данным, обзор, посвящённый устойчивости риса к высокой ночной температуре.
Почему важна устойчивость к ночной жаре
В фазах цветения и налива зерна рис более чувствителен к высоким ночным, а не дневным температурам. Большинство сортов проявляют чувствительность при ночных температурах выше 28 °C (82.4 °F).
Повышенные температуры приводят к потерям урожая и ухудшению качества зерна, выраженному в "меловидности" — нежелательной характеристике, влияющей на качество помола, приготовления и вкус.
Согласно исследованиям, последствия высокого ночного стресса могут привести к потере до 90% урожая зерна и значительному увеличению меловидности.
Генетические механизмы восприимчивости к ночному тепловому стрессу неясны, но известно, что повышенная скорость дыхания в такие периоды перенаправляет энергию с роста на восстановление и влияет на формирование биомассы.
Трудности и пути решения
Среди современных сортов, выведенных в США, нет известных, способных выдерживать высокие ночные температуры на репродуктивной стадии. Индийский сорт Nagina 22 обладает такой толерантностью, но в условиях Арканзаса проявляет нежелательные признаки: мелкое зерно, меловидность и высокие стебли, склонные к полеганию.
Гены толерантности Nagina 22 не клонированы, что делает невозможным прямое применение генного редактирования для улучшения популярных сортов. Промежуточным решением может стать редактирование генов для улучшения желаемых признаков у самого Nagina 22 или его гибридов.
Ключевая задача при работе с Nagina 22 — улучшить его естественно высокую меловидность зерна. Клонирование и анализ Chalk5 — основного локуса ДНК, связанного с меловидностью у риса, — открывает путь к её снижению с помощью генного редактирования.
"Наша цель — получить больше продукции и более вкусный рис, но качество зерна важно", — подчеркивает Шривастава.
Тенденция к потеплению ночей
Национальные и региональные исследования указывают на тенденцию потепления ночей в США. Согласно Пятой национальной оценке климата (2023), "ночные температуры и зимние температуры повышались быстрее, чем дневные и летние".
Исследование 2021 года с участием учёных из Университета штата Арканзас и USDA-ARS показало увеличение сезонной ночной температуры воздуха в Арканзасе примерно на 1 °F (0.53 °C) в период с 1940 по 2018 год.