Дикие гены в культурных растениях: как можно усилить сельхозкультуры с помощью их дальних родственников
Продовольственная безопасность становится одной из главных глобальных проблем. Доступ к продовольствию ухудшается из-за войн, инфляции и экстремальных погодных явлений, вызванных климатом. Цены на основные продукты, такие как яйца и овощи, растут по всему миру.
Инфляция цен на продовольствие опережает общую инфляцию более чем в половине стран мира. Очевидный ответ — выращивать больше культур, особенно шести самых энергоёмких: риса, пшеницы, кукурузы, картофеля, сои и сахарного тростника.
Однако производство продовольствия усложняется из-за конфликтов, экстремальных погодных явлений (внезапных засух и наводнений) и всплеска болезней и вредителей растений.
Чтобы фермеры могли производить пищу в неопределённом будущем, нужны лучшие культуры. Но многие передовые исследования в сельском хозяйстве сосредоточены на улучшении отдельных свойств растения — например, устойчивости к засухе или соли в почве. Этого может быть недостаточно для будущих потрясений.
Наше исследование предлагает способ ускорить создание более сильных культур, используя весь генетический потенциал вида.
Культуры, которые не сдаются
Люди сильно изменили растения, дающие основную часть нашей пищи, с помощью селекции и генетической модификации. Но многие сельскохозяйственные исследования проводятся изолированно, решая конкретные проблемы (например, устойчивость пшеницы к определённому грибку).
Множественные вызовы продовольственной безопасности требуют нового подхода. Изменение климата создаст много разных угроз для наших культур: внезапные засухи в одних регионах и экстремальные дожди в других, распространение вредителей и болезней в более жарком мире.
Поэтому мы обращаемся к другому подходу — пангеномике, которая пытается охватить все гены, доступные виду.
Вид не имеет единого набора генов. Все растения риса имеют общие генетические последовательности, но отдельные растения и сорта также имеют отличия. Пангеном охватывает все эти варианты.
Идея пангенома появилась в 2005 году, когда микробиолог Эрве Теттелен и его коллеги искали вакцину против бактерии стрептококка. Изучая разные штаммы, они осознали, сколько дополнительной генетической информации в них содержится.
Это стало прорывом и показало, как много мы упускали, фокусируясь на одном изоляте вида. До этого открытия считалось, что отдельная особь несёт достаточно информации, чтобы точно представлять геномное содержание вида. Но это неверно.
Это осознание изменило наш взгляд на сельхозкультуры. Вместо того чтобы пытаться усовершенствовать один сорт, используя только его собственный генетический набор, пангеном предлагает способ вернуть утраченную силу из более широкого генофонда.
В 2019 году мы пошли дальше, рассмотрев весь генофонд культуры, включая её культурные сорта и их диких родственников. Многие дикие родственники одомашненных культур до сих пор существуют. Эти растения обладают огромным генетическим разнообразием и часто содержат превосходные гены или варианты генов (аллели), утраченные культурными растениями в процессе одомашнивания и селекции.
Мы назвали этот подход «супер-пангеном», чтобы подчеркнуть охват одомашненных и диких генофондов.
Как это может помочь укрепить продовольственные запасы?
Более 10 000 лет люди одомашнивали и селекционировали культуры. Но за это же время процветали и их дикие родственники.
У диких родственников есть причины, по которым они не были одомашнены: плохой вкус, сложность хранения, низкая урожайность. Однако в их генетическом коде есть желаемые признаки, которые мы можем идентифицировать, изолировать и внедрить обратно в одомашненный вид.
Получив генетические данные по всему виду и его диким родственникам, мы можем начать поиск особенно полезных генов. Нас интересуют гены, отвечающие за адаптацию или выживание в условиях экологического стресса, которые, вероятно, усугубятся в будущем: засуха, засоление почв, экстремальные температуры. Мы можем идентифицировать гены устойчивости к болезням и определить, почему определённые сорта обладают другими желательными признаками, такими как лучший вкус или более высокая урожайность.
Во всём мире ведутся многообещающие исследования с использованием этого подхода: от американских учёных, использующих гены дикого винограда для повышения урожайности культурного, до китайских исследователей, делающих то же самое с томатами.
Мы и наши коллеги сосредоточены на скромном нуте — высокопитательном бобовом, особенно важном для 1,4 миллиарда жителей Индии. Нут, как и другие бобовые, фиксирует азот из воздуха в почве, что улучшает её плодородие и помогает компенсировать выбросы закиси азота — менее известного парникового газа.
Но нуту не хватает генетического разнообразия из-за нескольких эволюционных «бутылочных горлышек», одомашнивания и селекции. Это уже создаёт проблемы, поскольку низкое генетическое разнообразие делает виды более уязвимыми к вредителям и болезням. Фермеры, выращивающие нут в Западной Австралии, до сих пор помнят вспышку грибкового ожога в конце 1990-х, которая почти уничтожила производство и сделала культуру непопулярной, в то время как другие штаты наращивали экспорт.
Решение: обратиться к диким родственникам. В геномах таких родственников, как Cicer echinospermum, мы обнаружили несколько многообещающих генов, которые помогали противостоять этому грибку.
Эти гены теперь можно внедрить в одомашненные виды с помощью современных подходов — таких как селекция с помощью геномики и редактирование генов — для создания устойчивых к болезням и высокоурожайных сортов нута.
Как только мы найдём и соберём полный генетический запас наших самых важных культур, как диких, так и одомашненных, станет проще и быстрее усиливать эти важнейшие растения — и снабжать их генами, необходимыми для выживания в условиях неопределённого будущего.