Раскрытие потенциала урожайности ячменя за счёт предотвращения дегенерации цветков

Ячмень имеет неопределённое колосовидное соцветие, в котором основные цветковые структуры, называемые колосками, формируются двурядно вдоль центральной оси (рахиса). Каждый узел рахиса в колосе ячменя производит три колоска (один центральный и два боковых).

Конец инициации зачатков колосков вдоль рахиса знаменует стадию максимального потенциала урожайности. Впоследствии купол меристемы соцветия начинает разрушаться, после чего следует постепенная базипетальная дегенерация зачатков колосков и самих колосков до достижения определённой позиции вдоль колоса.

«Мы показываем, что до 50% инициированных цветковых зачатков отмирают до антезиса, что представляет собой неиспользуемый потенциал урожайности», — говорит профессор Торстен Шнурбуш. Понимание молекулярных основ программируемой дегенерации колоса (PTD) может помочь улучшить урожай зерна у злаков.

Исследование на эту тему опубликовано в The Plant Cell.

Из-за количественной природы и чувствительности к среде PTD соцветия представляет собой сложный механизм, влияющий на итоговое число зёрен. Этот механизм, по-видимому, предсказуем и наследуем, что согласуется с программой развития.

Фотосинтез, позеленение незрелого колоса и энергетический метаболизм, по-видимому, являются значимыми факторами для правильного роста и дифференциации колосков и были ограничены базальной и центральной частями колоса. Однако исследователи обнаружили, что дегенерирующая апикальная область колоса подвергается истощению сахаров и аминокислот наряду с усиленным биосинтезом и сигнализацией абсцизовой кислоты.

«Более того, мы функционально подтвердили, что один из апикально экспрессируемых генов транскрипционных факторов, ячменный GRASSY TILLERS1 (HvGT1), ортолог гена кукурузы GT1, является репрессором роста апикальных колосков», — подчёркивает Нандхакумар Шанмугарадж, первый автор исследования.

Сайт-направленные мутанты Hvgt1 в ячмене задерживали начало PTD колоса и производили больше дифференцированных апикальных органов, что приводило к значительному увеличению числа фертильных колосков/цветков и итогового числа колосков. «Это первое сообщение о молекулярных основах PTD соцветия ячменя; однако здесь мы предоставляем молекулярную основу не только для ячменя, но и для родственных злаков трибы Triticeae (например, пшеницы, ржи)», — добавил Шанмугарадж.

«Мы полагаем, что молекулярное выяснение PTD у ячменя также стимулирует будущие направления исследований эволюции родственных генов, подавляющих рост, у других растений помимо сельскохозяйственных видов», — говорит профессор Шнурбуш. Поскольку ячмень является одной из важнейших зерновых культур в мире, лучшее использование потенциала урожайности его колоса может способствовать мировой продовольственной безопасности и тем самым напрямую помочь в борьбе с угрозами голода, вызванными изменением климата, стихийными бедствиями или войнами.