Выявлены новые гены, которые могут повысить эффективность фотосинтеза у сельскохозяйственных культур и увеличить урожайность
Теневое укрытие, в котором нижние листья кукурузы проводят много времени, сокращает их возможность использовать солнечный свет для фотосинтеза. Когда порыв ветра ненадолго открывает доступ к свету, защитный механизм растения — нефотохимическое тушение (NPQ) — не успевает быстро отключиться, и драгоценная энергия теряется впустую.
- NPQ — это биохимический «предохранитель», который преобразует избыточную световую энергию в тепло, защищая клетки от повреждений. Однако его медленное «расслабление» в тени приводит к потере части энергии, которую можно было бы использовать для фотосинтеза.
Исследователи из Университета Небраски-Линкольна под руководством Каси Гловацкой поставили цель найти гены, регулирующие скорость NPQ у кукурузы — культуры с особым типом фотосинтеза (C4), критически важной для продовольственной безопасности.
Методология исследования
- Полевой эксперимент: В 2020–2021 годах команда высадила более 700 генетически различных линий кукурузы.
- Новый метод измерения: Гловацка разработала высокопроизводительный способ оценки NPQ. Вместо трудоёмких полевых измерений исследователи брали небольшие образцы листьев, адаптировали их к темноте в лаборатории и измеряли флуоресценцию до и после вспышек света. Это позволило анализировать 96 образцов за 20 минут.
- Генетический анализ: Измеренные вариации в скорости и величине NPQ у разных линий сопоставили с их генетическим кодом.
Ключевые результаты
- Было выявлено шесть генов-кандидатов, влияющих на NPQ у кукурузы.
- Наибольший вклад в вариативность внёс ранее неизвестный в этом контексте ген PSI3.
- Эксперименты с мутантами растения Arabidopsis (лишёнными этих генов) подтвердили их роль: у мутантов NPQ реагировал медленнее, хуже защищал от всплесков света и при этом больше энергии тратил впустую.
Значение и перспективы
- Обнаруженные гены и естественная вариация NPQ открывают путь для селекции сельскохозяйственных культур с более эффективным фотосинтезом.
- Моделирование показывает, что ускорение NPQ может потенциально увеличить урожайность на 20–22%.
- По словам соавтора исследования Джеймса Шнабля, первые практические результаты такой селекции могут быть получены уже в течение шести лет.
Исследование, героями которого Гловацка назвала аспирантов, добиравшихся до поля на велосипедах во время пандемии COVID-19, опубликовано в журнале New Phytologist.