Ученые разработали стратегию селекции для создания "климатически умных" культур

Новое исследование представило стратегию селекции для быстрого создания "климатически умных" культур, которые показывают более высокую урожайность в нормальных условиях и значительно компенсируют потери урожая при тепловом стрессе у зерновых и овощных культур.

Исследование команды профессора Сюй Цао из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук было опубликовано в журнале Cell 13 декабря.

К 2050 году продуктивность сельского хозяйства должна вырасти на 60%, чтобы прокормить прогнозируемое население в 10 миллиардов человек. Однако текущее производство культур недостаточно и может ухудшиться из-за абиотического стресса, вызванного изменением климата. Повышение температуры на 2 °C в течение вегетационного периода приведет к потере урожая на 3–13%.

Физиологической основой урожайности и качества культур являются отношения "источник–сток". Источники (например, листья) производят фотоассимиляты (в основном углеводы, такие как сахароза). Стоки (плоды, семена, корни) используют или запасают эти вещества.

Ключевой ген — клеточная инвертаза (CWIN). Кодируемый ею фермент разгружает и превращает сахарозу, транспортируемую из листьев, в глюкозу и фруктозу в органах-стоках. Эти сахара критически важны для развития плодов и семян, а также влияют на сладость плодов и качество риса.

Тепловой стресс подавляет активность CWIN, нарушая баланс "источник–сток", что приводит к недостатку энергии в органах-стоках, снижению репродуктивного развития и потере урожая.

Новая стратегия — климатически-отзывчивая оптимизация распределения углерода в стоки (CROCS). Ученые рационально манипулировали экспрессией генов CWIN в плодовых и зерновых культурах.

С помощью собственных высокоэффективных инструментов prime-редактирования они точно вставили 10-п.н. теплошоковый элемент (HSE) в промоторы генов CWIN у элитных сортов риса и томата. Вставка HSE наделяет CWIN способностью к тепло-индуцируемой повышенной экспрессии как в контролируемых условиях, так и в полевых, усиливая распределение углерода в зерна риса и плоды томата.

Результаты испытаний

Томаты:

• В нормальных условиях урожайность увеличилась на 14–47%.
• При тепловом стрессе урожайность плодов с участка выросла на 26–33% по сравнению с контролем.
• Стратегия компенсировала 56,4–100% потерь урожая плодов, вызванных тепловым стрессом.
• Значительно улучшилось качество плодов, включая однородность и содержание сахара.

Рис:

• В нормальных условиях прибавка урожая составила 7–13%.
• При тепловом стрессе урожай зерна увеличился на 25% по сравнению с контролем.
• Было скомпенсировано до 41% потерь зерна, вызванных жарой.

Профессор Сюй Цао отметил, что CROCS — это эффективная и универсальная система на основе prime-редактирования для быстрого улучшения культур. Она прокладывает путь к созданию "климатически умных" культур путем целевой вставки средо-отзывчивых цис-регуляторных элементов.

Исследователи также сообщили, что эта стратегия селекции уже применяется к таким культурам, как соя, пшеница и кукуруза.