Генетический прорыв в злаковых культурах может помочь увеличить урожайность во всем мире
Ученые из Университета Клемсона совершили прорыв в изучении генетики сенесценции (старения) у злаковых культур, что может значительно повлиять на будущую продовольственную безопасность в условиях изменения климата.
Исследование, посвященное генетической архитектуре малоизученного процесса старения у кукурузы и других злаков, опубликовано в ведущем рецензируемом журнале The Plant Cell.
Суть сенесценции
Сенесценция — это «смерть клетки или органа от рук самого организма, частью которого она является». Этот процесс происходит повсеместно в природе. У деревьев осенью отмирающие листья приобретают яркую окраску, а энергия из них запасается в стволе или корнях для быстрого восстановления весной.
Однако для сельскохозяйственных злаковых культур, таких как кукуруза, рис и пшеница, которые получают избыток питательных веществ с удобрениями, преждевременное старение листьев невыгодно. Листья могли бы продолжать производить питательные вещества via фотосинтез. Понимание триггеров старения позволит ученым изменить растение для пользы голодающего мира.
Методология открытия
Ученые под руководством Раджана Секхона использовали системный генетический подход:
- Изучили естественную генетическую вариацию признака «stay-green» (долгая зелень) у кукурузы. Были выращены 400 различных генетически уникальных линий, и их фенотип старения сопоставлен с генотипом. Это выявило 64 кандидатных гена.
- Проанализировали экспрессию около 40 000 генов в процессе старения у растений с разными признаками, что определило более 600 потенциально значимых генов.
Комбинируя результаты этих двух масштабных экспериментов, ученые смогли отсеять ложные срабатывания и выделить 14 высоковероятных генов-кандидатов, два из которых были изучены детально.
Ключевое открытие: роль сахаров
Одно из самых значимых открытий — сахара диктуют начало старения. Когда сахара, произведенные в листьях via фотосинтез, не перемещаются в другие органы растения, они начинают посылать сигналы для инициации сенесценции.
Сигнальную функцию выполняют не все сахара, а определенные шестиуглеродные молекулы, такие как глюкоза и фруктоза. Один из обнаруженных генов, по-видимому, расщепляет в клетках листьев сложные сахара на эти более мелкие молекулы, способные передавать сигнал старения.
Двойной удар:
- Теряются дополнительные сахара, которые могли бы накормить больше людей.
- Нераспределенные сахара в листьях запускают старение и полностью останавливают процесс синтеза сахаров.
Значение для продовольственной безопасности
Растение тщательно контролирует наполнение семян. Перераспределение сахара — ключевой фактор старения. Некоторые растения с признаком stay-green способны после заполнения семян запасать дополнительную энергию в стеблях (т.н. стровер).
Стровер может использоваться как корм для животных или сырье для биотоплива. В условиях роста спроса на пищу и энергию, а также сокращения пахотных земель, растения с поздним старением приобретают повышенную важность, так как производят больше общей энергии на одно растение.
Гены, идентифицированные в этом исследовании, вероятно, выполняют ту же функцию в других злаковых культурах, таких как рис, пшеница и сорго. Следующий шаг — изучение функций этих генов с использованием мутантов и трансгенных растений.
Конечная цель — помочь планете и накормить растущее население мира в условиях ухудшающегося климата, сокращения земельных и водных ресурсов.