Ученые разработали метод получения генетически идентичных гибридных растений
Гибридное потомство, полученное от скрещивания разных сортов одного вида растений, часто более жизнеспособно и растет быстрее родителей. Однако в следующем поколении этот эффект исчезает.
Новые методы позволяют сохранять полезные качества таких гибридных растений в долгосрочной перспективе и целенаправленно создавать растения с четырьмя наборами хромосом вместо двух. Эти технологии могут упростить выведение высокоурожайных и устойчивых культур для растущего населения в условиях климатического кризиса.
Эффект гетерозиса не сохраняется
Феномен гетерозиса (гибридной силы) был открыт более 250 лет назад. Он проявляется, когда гибриды первого поколения превосходят родителей по жизнеспособности и росту. Например, гибридная кукуруза дает на 30% больший урожай.
Проблема в том, что эффект гетерозиса не передается следующему поколению. При половом размножении в процессе мейоза генетический материал перекомбинируется, поэтому потомки не идентичны родителям. Если бы гибриды можно было размножать клонально через семена, они передавали бы свой генетический материал и полезные признаки без изменений.
Преодоление двух барьеров
Ученые из Института селекции растений Общества Макса Планка Рафаэль Мерсье и Чарльз Андервуд работают над решением этой задачи. Для создания клональных гибридных семян необходимо преодолеть два барьера:
- Отключить мейоз, чтобы яйцеклетка была генетически идентична материнскому растению.
- Исключить оплодотворение, чтобы развитие эмбриона начиналось без слияния с мужской гаметой.
Технология MiMe (митоз вместо мейоза)
Мерсье идентифицировал у резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana) три гена, контролирующих ключевые отличия мейоза от митоза. Одновременное отключение этих генов привело к тому, что мейоз превратился в митоз, и растение стало формировать клональные половые клетки.
В 2016 году метод MiMe был успешно применен к рису — одной из важнейших зерновых культур. В 2019 году, активировав ген BBM1 в яйцеклетке, ученые смогли запустить развитие эмбриона без оплодотворения. Однако у таких растений пока образуется на 30% меньше семян, что снижает урожайность.
Создание «супер-гибридов» с четырьмя наборами хромосом
Команда Андервуда применила MiMe к томатам. Оплодотворение клональной яйцеклетки от одного растения клональным спермием от другого привело к появлению растений с четырехкратным (тетраплоидным) набором хромосом. «Результат — своего рода супер-гибрид», — говорит Андервуд.
Ученые также скрестили гибридный томат MiMe с диким родственником Solanum pennellii, устойчивым к жаре, засухе и засоленным почвам. Это позволило передать гибриду гены устойчивости к стрессу.
Потенциал для картофеля и других культур
Метод MiMe перспективен для картофеля, который относится к тому же семейству пасленовых, что и томат. Использование генетического материала диких видов картофеля может помочь в создании сортов, устойчивых к фитофторозу, что снизит потребность в пестицидах. Для картофеля, где урожай — это клубни, а не семена, проблема сниженного семяобразования менее критична.
Правовые барьеры
Применение технологии сдерживают строгие правила ЕС в отношении генетически модифицированных культур, которые ограничивают методы редактирования генома, такие как MiMe. Ученые призывают к модернизации законодательства, чтобы ускорить выведение устойчивых и высокоурожайных культур.
Примечательно, что клональное размножение через семена существует в природе. Например, одуванчик размножается без женского мейоза и оплодотворения яйцеклетки.