Улучшение роста и устойчивости растений через модификацию каротиноидов
Новая стратегия селекции растений нацелена на урожайность, питательную ценность и устойчивость к стрессам с помощью экспрессии всего одного гена.
Манипулирование содержанием каротиноидов, таких как ß-каротин, улучшает рост растений, повышает урожайность и устойчивость к абиотическим стрессам, таким как засуха и засоление.
В хлоропластах каротиноиды, такие как ß-каротин и ксантофиллы, являются ключевыми компонентами фотосинтетического аппарата. Международная группа под руководством исследователей из группы Салима Аль-Бабили показала, что изменения в метаболизме каротиноидов влияют на содержание гормонов и, как следствие, на развитие и физиологию растений.
Введение одного гена пути биосинтеза каротиноидов в различные сорта томата привело к значительным изменениям в метаболических путях, большому увеличению урожайности плодов и повышению содержания провитамина А.
"Более того, метаболические и гормональные изменения привели к накоплению ключевых первичных метаболитов, улучшив устойчивость к абиотическим стрессам и срок хранения плодов", — говорит ведущий исследователь Хуан К. Морено.
ß-каротин производится под действием гена, известного как ликопин ß-циклаза (LCYB). Ранее показав, что экспрессия гена моркови DcLCYB1 в табаке увеличивает фотосинтез, устойчивость к стрессам, биомассу растений и урожайность, Морено захотел проверить, может ли манипуляция активностью LCYB дать аналогичные преимущества в росте для важной пищевой культуры.
Используя три разных источника генов, все экспрессирующие разные гены LCYB из томата, нарцисса и бактерий, исследователи выращивали растения в контролируемых условиях и снаружи в политуннелях.
Результаты подтвердили гипотезу Морено о том, что сверхэкспрессия гена каротиноидов в томате даст результаты, аналогичные его эксперименту с табаком.
"Наблюдая за растениями в теплице недели и месяцы, трансгенные линии явно отличались от дикого типа", — говорит он.
Урожайность плодов также увеличилась до 77%, а питательная ценность повысилась: плоды трансгенных растений содержали в 20 раз больше ß-каротина, чем дикий тип.
"Использование современных методов хроматографии и масс-спектрометрии позволило нам получить полную картину изменений на уровне метаболома, что объяснило наблюдаемые фенотипы", — добавляет Цзянин Ми, выполнившая аналитическую часть исследования.
Модифицированные растения также показали повышенную устойчивость к высокой интенсивности света, соли и засухе.
В сотрудничестве с Аль-Бабили исследователи теперь пытаются применить эту технологию на зерновых культурах.
"Это исследование демонстрирует важность понимания метаболических процессов, лежащих в основе роста растений и реакции на изменения окружающей среды, и показывает большой потенциал метаболической и генетической инженерии растений для борьбы с дефицитом микронутриентов", — говорит Аль-Бабили.
Результаты прокладывают путь для разработки нового поколения сельскохозяйственных культур, сочетающих высокую продуктивность и повышенную питательную ценность со способностью справляться с проблемами, связанными с изменением климата.