Три мутации, сделавшие возможным культивирование риса

Новое международное исследование показало, что превращение дикого риса в культурное растение стало результатом трёх генных мутаций, которые мешают семенам (зёрнам) легко осыпаться с растения.

Исследователи обнаружили, что каждая из трёх мутаций по отдельности оказывает небольшой эффект, но при одновременном наличии всех трёх мутаций метёлки риса удерживают больше семян, что приводит к повышению урожайности.

Считается, что одомашнивание дикого риса (Oryza rufipogon) началось, когда древние люди стали отбирать и культивировать растения, чьи семена осыпались меньше. Это открытие может способствовать будущему улучшению устойчивости риса к осыпанию и разработке высокоурожайных сортов, где можно собрать каждое зерно, уменьшив потери.

Генетические основы устойчивости к осыпанию

Осыпание семян вызывается структурой, называемой слоем отделения (abscission layer), которая формируется у основания каждого зерна. Ранее был обнаружен ген sh4, необходимый для начала осыпания. Однако текущее исследование показало, что одной мутации в sh4 недостаточно для предотвращения потерь урожая.

Учёные выявили, что для подавления слоя отделения также требуется однонуклеотидная замена (от цитозина к тимину) в ДНК гена qSH3. Эта мутация присутствует в основных типах культивируемого риса (indica и japonica).

Синергия трёх мутаций

Мутации в генах sh4 и qSH3 по отдельности не могут предотвратить осыпание у дикого риса. Их комбинация частично подавляет формирование слоя отделения, но этого всё равно недостаточно для стабильного урожая в естественной среде.

Третья мутация затрагивает ген SPR3 и приводит к формированию сомкнутой метёлки (closed panicle), в отличие от открытой метёлки дикого риса.

Исследователи создали 8 линий дикого риса с разными комбинациями этих трёх мутаций и измерили их урожайность. Результаты показали:

• Отдельные мутации давали малый эффект.
• Комбинация двух мутаций не приводила к значительному росту урожая.
• Присутствие всех трёх мутаций (sh4, qSH3 и SPR3) вызывало экспоненциальное увеличение урожайности.

Механический анализ и историческое значение

Анализ структурной механики показал взаимодополняющие отношения между сомкнутой метёлкой и подавлением слоя отделения. Нагрузка от силы тяжести на слой отделения у основания зерна ниже у растений с сомкнутой метёлкой, что дополнительно снижает осыпание.

«Неосыпающееся поведение», вызванное мутациями в sh4 и qSH3, и «сомкнутая метёлка» от мутации в SPR3 — это изначально независимые признаки. Случайное синергетическое взаимодействие этих трёх характеристик, по мнению учёных, и позволило рису стать сельскохозяйственной культурой.

Перспективы исследований

Полученные результаты не только раскрывают механизм осыпания семян, но и дают представление о долгой истории селекции риса. Дальнейшее изучение этих мутаций может помочь прояснить процесс доместикации. Контроль над степенью осыпания с использованием комбинаций этих генов может привести к созданию новых сортов риса, где можно собрать все произведённые растением зёрна.

Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.