Расширение генетической базы кукурузы для адаптации к изменению климата
Кукуруза (маис) — одна из ключевых сельскохозяйственных культур в мире. Однако изменение климата угрожает её устойчивости. Международная команда генетиков растений во главе с Рэнди Виссером из Университета Делавэра определила генетические механизмы, позволяющие адаптировать тропические сорта кукурузы к условиям умеренного климата, например, к летнему сезону в США.
Проблема и потенциал экзотических сортов
Современные коммерческие сорта кукурузы созданы на основе очень небольшой части глобального генетического разнообразия этой культуры. Это делает её уязвимой к новым болезням, засухе и другим стрессам, усиливающимся из-за климатических изменений. В то же время в банке семян USDA хранятся десятки тысяч сортов, многие из которых не используются.
«Тропические сорта кукурузы представляют собой наш крупнейший резервуар генетического разнообразия», — отметил соавтор исследования Джим Холланд из USDA Agricultural Research Service. Эти экзотические линии могут быть более устойчивы к засухе, переувлажнению или бедным азотом почвам.
Медленная адаптация и новый подход
Ранее Виссер и его коллеги показали, что для адаптации тропического сорта кукурузы к условиям, например, Делавэра, методом селекционного отбора требуется около 10 лет. В условиях быстро меняющегося климата это слишком долго.
Исследователи разработали новый экспериментальный подход: они высадили исходные и уже адаптированные поколения растений на одном поле. Это позволило исключить влияние окружающей среды и напрямую изучить генетическую составляющую эволюции.
Ускорение процесса в два раза
Сейчас команда работает над проектом, цель которого — сократить время адаптации экзотических сортов вдвое (с 10 до 5 лет). Проект финансируется Национальным институтом продовольствия и сельского хозяйства USDA (U.S. Department of Agriculture's National Institute of Food and Agriculture).
Учёные секвенируют геномы растений и измеряют ключевые признаки (например, время цветения) в одном поколении. На основе этих данных создаётся «таблица поиска» (lookup table) — прогностическая модель, которая позволяет предсказать, какие растения в следующем поколении будут обладать наилучшими признаками для конкретной среды (например, для Делавэра), основываясь только на их генетических профилях.
Это означает, что селекционеры могут выращивать поколение растений в другом регионе, но с помощью модели отбирать особи, наиболее приспособленные к целевым условиям Делавэра, в том числе устойчивые к болезням, которых в месте выращивания нет.
Такой подход позволяет получать дополнительное поколение растений в год, минуя зимний перерыв, что и ускоряет процесс предварительной адаптации.
Связь с инициативой Genomes To Fields (G2F)
Эта работа связана с инициативой Genomes To Fields (G2F), запущенной в 2013 году для изучения взаимосвязи между геномами и урожайностью. Разработка метода быстрой предварительной адаптации откроет для G2F возможность тестировать влияние уникальных экзотических геномов на продуктивность культуры.
«Наша цель — развивать науку, чтобы селекционеры могли использовать более широкий спектр разнообразия, накопленного за тысячи лет эволюции, и создавать улучшенные сорта для производителей и потребителей в условиях изменения климата», — пояснил Рэнди Виссер.