Открытие нового гена указывает путь к лучшей устойчивости сельхозкультур к щелочным почвам

Китайские ученые идентифицировали ключевой ген, участвующий в устойчивости растений к щелочным почвам, что может значительно повысить урожайность на засоленных землях с помощью генной инженерии.

Исследование под руководством профессора Се Ци из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук, проведенное в сотрудничестве с семью другими институтами, опубликовано в журнале Science.

В мире насчитывается более миллиарда гектаров засоленных и щелочных почв, около 60% из которых классифицируются как сильно щелочные (содовые). Разработка устойчивых к засолению и щелочности культур является глобальной задачей. Однако устойчивость растений к щелочному стрессу изучена слабо.

Сорго, происходящее из суровых условий Африки, эволюционировало и обладает большей устойчивостью к множественным абиотическим стрессам, чем другие основные культуры (например, пшеница, рис и кукуруда). Как и некоторые галофиты, сорго может выживать в щелочной почве с pH до 10.0.

В этой работе исследователи сначала провели полногеномный поиск ассоциаций (GWAS) на разнообразной панели сорго и идентифицировали важный локус Alkaline tolerance 1 (AT1), который кодирует атипичную γ-субъединицу G-белка и контролирует щелочеустойчивость. Ген AT1 имеет ортологи в других растениях; у риса он был назван GS3.

Дальнейшие эксперименты подтвердили, что аллель at1/gs3 производит усеченный на C-конце белок, который способствует негативному эффекту на устойчивость к щелочи. В то же время нокаут AT1/GS3 (где GS3 — ортолог AT1 у риса) консервативно повышал устойчивость к щелочному стрессу у однодольных культур, включая сорго, просо, рис и кукуруду.

Было обнаружено, что аквапорины PIP2s, участвующие в гомеостазе активных форм кислорода (АФК), могут быть вовлечены в сигнальный путь Gγ-белка. Генетический и клеточно-биологический анализ показал, что Gγ негативно регулирует фосфорилирование PIP2;1, а фосфорилирование аквапоринов может модулировать отток H₂O₂, что приводит к снижению уровня АФК в растениях при щелочном стрессе.

Для оценки применения гена AT1/GS3 в растениеводстве были проведены полевые испытания на засоленных и щелочных почвах. Было обнаружено, что нефункциональные мутанты у ряда однодольных (сорго, просо, рис, кукуруда) могут значительно улучшить показатели урожайности или биомассы по сравнению с немодифицированным контролем при выращивании на щелочных почвах.

В заключение, исследователи обнаружили, что атипичная γ-субъединица G-белка негативно регулирует щелочной стресс, модулируя отток H₂O₂ в условиях стресса.

«Мы обнаружили молекулярный механизм "звездного" G-белка, который играет новую роль в контроле стрессового ответа растений, и его нижележащей молекулы — аквапоринов — в экспорте H₂O₂», — сказал профессор Се.

Помимо иллюстрации экологически важного молекулярного механизма, это исследование имеет большой потенциал для направления селекции устойчивых к щелочному засолению культур для маргинальных земель. Это может способствовать глобальной продовольственной безопасности, учитывая, что в мире насчитывается более миллиарда гектаров засоленных земель.