Идентифицированы генетические механизмы снижения белка в современной кукурузе

Дикий предок кукурузы, теосинте, содержит в три раза больше белка в семенах, чем большинство современных линий кукурузы. Исследователи из Китайской академии наук выявили механизмы, ответственные за снижение содержания белка в семенах у гибридов и инбредных линий кукурузы. Результаты открывают новые пути для максимизации содержания и качества белка в семенах при будущей селекции кукурузы, что важно для эффективности использования азота и продовольственной безопасности.

Исследование опубликовано 17 ноября в журнале Nature.

Проблема азота и селекции

Существует экономическое и экологическое давление, требующее сохранять высокую урожайность кукурузы при снижении уровня вносимого в почву азота. Поэтому критически важно идентифицировать генетические факторы, повышающие эффективность использования азота.

За тысячелетия селекционеры генетически изменяли виды растений, чтобы создать семена с большей долей метаболитов для улучшения питательной ценности. Когда кукуруза стала основным кормом для скота, приоритетами стали содержание крахмала и урожайность, а содержание белка отошло на второй план. Использование азотных удобрений ещё больше снизило важность содержания азота в семенах. В результате современные гибриды кукурузы содержат всего 5–10% белка, в то время как у теосинте этот показатель составляет 20–30%.

Поиск генетических причин

Учёные могли проследить снижение содержания белка, но генетические механизмы оставались неясными. Команда создала полную последовательность генома теосинте и, скрещивая его с кукурузой, анализируя потомство, смогла идентифицировать локус количественного признака (QTL) — специфические хромосомные области, связанные с интересующими признаками.

Поскольку современная кукуруза была одомашнена из теосинте, характеристика генов, ответственных за высокобелковость теосинте, может раскрыть более разнообразный набор QTL, чем у современных инбредных линий кукурузы, и помочь понять причины снижения белка в семенах в процессе доместикации.

Ключевой ген THP9

Исследователи сосредоточились на значимом высокобелковом QTL на хромосоме 9 — teosinte high protein 9 (THP9). Этот локус не только показал самый сильный эффект при картировании, но и кодирует фермент аспарагинсинтетазу 4 (ASN4), играющую важную роль в метаболизме азота. Ранее исследования на рисе, пшенице и ячмене показали, что изменения в экспрессии этих генов влияют на рост растений и содержание азота.

Аллель THP9-teosinte (THP9-T) высоко экспрессируется в корнях и листьях теосинте, но не в соответствующей инбредной линии кукурузы из-за неправильного сплайсинга транскриптов гена. Это может быть одним из факторов, ведущих к различиям в усвоении азота. Аминокислоты — необходимый субстрат для синтеза белка, и их уровень в растении зависит от доступности азота в почве и эффективности его использования растением.

Потенциал для селекции

Полевые испытания подтвердили, что аллель THP9-T может повышать эффективность использования азота как в нормальных, так и в условиях низкого содержания азота. Дальнейший анализ показал, что THP9-T обладает потенциалом для улучшения содержания белка в семенах и растениях кукурузы с помощью селекции.

Исследование демонстрирует возможную ценность гибридов, содержащих аллель THP9-T, хотя для полного установления его потенциала в повышении содержания белка в семенах и эффективности использования азота потребуются более масштабные полевые испытания в различных географических локациях.