Открытие в геномном редактировании обещает высокую фертильность пшеницы в меняющемся климате
Исследователи из Центра Джона Иннеса идентифицировали ген ZIP4, который оказывает глубокое влияние на производство семян у пшеницы. Методы геномного редактирования помогли определить и объяснить роль этого ключевого гена, ответственного за сохранение 50% урожайности этой глобальной культуры.
Открытие представляет новую возможность для селекции высокоурожайных элитных сортов пшеницы с использованием новой мутации гена, а также для введения критически важных признаков, таких как устойчивость к жаре и болезням.
В исследовании, опубликованном в Scientific Reports, группа профессора Грэма Мура использовала последние достижения в технологиях исследования пшеницы, чтобы объяснить генетические элементы, которые озадачивали ученых более 60 лет.
Ключевая роль гена ZIP4
Многие виды растений, включая большинство цветковых, являются полиплоидными, то есть имеют несколько геномов. Геном полиплоидной пшеницы сформировался в результате комбинации диких злаков, которые перекрестно опылились около 10 000 лет назад на Ближнем Востоке.
В процессе полиплоидизации фертильность сохраняется благодаря механизмам, контролирующим поведение множественных геномов во время мейоза — фазы полового размножения внутри клеток.
Во время полиплоидизации пшеницы главный мейотический ген ZIP4 дублировался с хромосомы 3 на хромосому 5B. Ранее было известно, что дублированный ген выполняет две ключевые функции:
Содействие правильному спариванию хромосом.
Подавление кроссинговера (обмена участками) между родственными хромосомами.
Более 60 лет считалось, что именно функция подавления ответственна за стабильность генома и урожайность зерна, что влияло на селекционные решения.
Эксперимент с CRISPR-Cas9
Исследователи использовали технику геномного редактирования CRISPR-Cas9 для создания мутантного растения, у которого ген ZIP4 5B был удален. Это привело к потере обеих его функций и дало на 50% меньше зерен, подтвердив критическую роль гена в фертильности пшеницы.
Затем они создали новый мутант с «разделением функций»: растение потеряло фенотип подавления кроссинговера, но сохранило способность содействовать правильному спариванию.
Удивительно, что у такого мутанта сохранилась стабильность хромосом и количество зерен. Потеря функции подавления не снизила фертильность пшеницы, пока была сохранена вторая функция.
Значение для селекции и климата
Профессор Мур отмечает, что новый мутант теперь следует использовать в селекции пшеницы для поддержания урожайности. Поскольку у него отсутствует функция подавления, это повышает шансы на успешное введение желаемых сегментов хромосом от диких родственников в геном пшеницы.
Мейоз — это процесс, на который влияют повышенные температуры. Приоритетом исследований является поиск вариантов гена ZIP4, которые сохраняют мейотическую стабильность и фертильность при разных температурных режимах. Это поможет обеспечить устойчивость культуры, от которой зависят 2,5 миллиарда человек.
Первый автор исследования доктор Асара Мартин заявила, что дупликация гена ZIP4 на хромосому 5B, вероятно, оказала огромное влияние на сельское хозяйство и питание человека, а мутанты с разделением функций приведут к более успешной интрогрессии в селекции.