Генетический отпечаток выявляет новые эффективные сорта кукурузы

Успех потомства слабо зависит от характеристик родительских растений — по крайней мере, у кукурузы. Даже слабые родители можно скрестить так, чтобы получить сильное потомство. Однако далеко не все растения подходят для этой роли. Каждое необходимо проверять в трудоемких и дорогих полевых экспериментах. Ученые Марк Штитт и Лотар Вильмитцер из Института молекулярной физиологии растений Макса Планка (Потсдам) совместно с коллегами Альбрехтом Мельхингером из Университета Хоэнхайма и Томасом Альтманном из Института генетики растений и исследований культурных растений им. Лейбница (Гатерслебен) разработали математическую модель, которая с высокой точностью предсказывает, станет ли растение хорошим родителем. Модель основана на геномной информации, полученной из зерен кукурузы, и метаболическом профиле проростков.

Большинство современных полевых растений кукурузы — гибриды. Их ключевое преимущество — непропорционально высокая урожайность, которая может быть на 50% выше, чем у негибридных линий. Это явление называется гетерозисом. Причины гетерозиса до конца не ясны, но известно, что родители гибридов должны происходить из инбредных линий и не быть родственными. Подбор подходящих линий требует дорогостоящих и трудоемких испытаний, занимающих около десяти лет.

«Мы знаем, что рост кукурузы или формирование початка определяются не одним геном, а множеством небольших различий в генетическом материале. Современные методы генетического анализа позволяют исследовать до 56 000 таких локусов ДНК», — поясняет первый автор исследования Кристиан Ридельсхаймер. Ученые создали для каждого растения индивидуальный геномный профиль — «генетический отпечаток». На основе трехлетних полевых испытаний, включавших скрещивания, измерение урожайности и анализ геномов, была разработана математическая модель, предсказывающая потенциал родительского растения по геномному паттерну. Для анализа достаточно материала одного зерна кукурузы, не теряющего всхожести.

Вторым индикатором качества родителя является состав листьев. Количество крахмала, сахаров, аминокислот, хлорофилла и других веществ дает прогноз, почти столь же точный, как и геномный анализ. «С помощью современного оборудования и программного обеспечения мы смогли очень точно проанализировать даже летучие метаболиты», — говорит директор Института Макса Планка Марк Штитт. Как и в случае с генетическим профилем, важна не концентрация отдельного метаболита, а определенные комбинации и паттерны.

Новая система не требует полевых испытаний, что делает ее экономически эффективной. «Если бы мы тестировали все возможные скрещивания, нам пришлось бы засеять кукурузой половину поверхности Земли», — отмечает Альбрехт Мельхингер. Полевые испытания одного сорта на десяти участках обходились более чем в €1000, тогда как анализ генома с помощью ДНК-чипа и робота стоит около €150. Метод также экономит время: анализ ДНК зерен можно проводить зимой, параллельно выращивая проростки для метаболитного анализа в теплицах. Это позволяет отобрать лучших родителей и высеять их в тот же год.

В последние годы в исследованиях произошла смена парадигмы: ученые отошли от поиска отдельных «супергенов» и сосредоточились на взаимодействии множества небольших различий в геноме. «В итоге у нас появился совершенно новый взгляд на растения, что приводит к значительному прогрессу в программах гибридной селекции», — заключает Мельхингер. Генетическое разнообразие кукурузы огромно — нужно лишь уметь эффективно его комбинировать.