Хорошие родители предсказуемы — по крайней мере, у кукурузы
Исследователи из Университета Хоэнхайма (Штутгарт, Германия) и других институтов для ускорения селекции высокоурожайных сортов кукурузы используют метод раннего отбора наиболее перспективных родительских растений на основе их химического и генетического профиля, а также новых статистических процедур. Работа опубликована в авторитетном журнале Nature Genetics.
Проблема масштаба: В генеалогическом древе современной кукурузы есть две основные группы по 10 000 чистых линий каждая. Каждая линия потенциально может быть использована для создания нового сорта путем скрещивания, что в математических терминах дает 100 миллиардов возможностей. При этом урожайность родительского растения не указывает на потенциал его потомства.
Цель — ускорить селекцию: В настоящее время создание нового сорта занимает около 10 лет. Климатические изменения, нехватка продовольствия и растущие потребности в энергии требуют более быстрых решений.
Проф. д-р Альбрехт Мельхингер, аспирант Кристиан Ридельсхаймер и их коллеги решают проблему с помощью новой двухэтапной методики отбора лучших родительских растений на самых ранних стадиях развития.
Приём №1: Математика и опыт при отборе
- Из зерна кукурузы берётся крошечный образец для полного анализа структуры ДНК (проводится совместно с IPK Gatersleben).
- Анализируется не один ген, а до 56 000 последовательностей ДНК, влияющих на развитие растения, с помощью современных методов геномного анализа.
- Создаётся уникальный профиль — «генетический отпечаток» каждого родителя.
- На основе трёхлетних полевых наблюдений (скрещивания, анализ хромосом, учёт урожайности) разработана математико-статистическая модель, прогнозирующая генетическую потенцию родителя.
Приём №2: Ранний отбор по химическому составу
- Второй показатель — состав листьев (уровни крахмала, сахара, аминокислот, хлорофилла и других веществ).
- Анализ можно проводить у трёхнедельных ростков высотой 20 см.
- Для точности образцы листьев необходимо быстро собрать и мгновенно заморозить (6 000 образцов за 69 минут). Анализ веществ проводится совместно с Институтом молекулярной физиологии растений Макса Планка в Гольме.
- Как и с ДНК, для прогноза важны не отдельные вещества, а их соотношение друг с другом.
Экономия времени, денег и ресурсов
- Точность: Новая методика позволяет с высокой точностью отбирать наиболее перспективных родителей и концентрировать на них ресурсы.
- Экономия земли и средств: Тестирование всех возможных скрещиваний потребовало бы нереальных площадей. Полевые испытания одного генотипа на десяти локациях стоят около 1000 евро, тогда как анализ генома с помощью чипа и робота — примерно 150 евро.
- Экономия времени: Анализ ДНК зёрен можно проводить зимой, а ростки для химического анализа — выращивать в теплице. Это позволяет отобрать и культивировать лучшие родительские растения уже в том же году.
Смена парадигмы в селекции
Окончательная готовность нового сорта всё ещё займёт несколько лет. В селекции кукурузы десятилетиями используется феномен гетерозиса (или «гибридной силы»): особенно крупное и продуктивное потомство дают родители, полученные в результате многопоколенного инбридинга (самоопыления).
Проф. д-р Мельхингер отмечает, что биологические причины гетерозиса до конца не изучены, но они кроются в сложном взаимодействии множества разных генов, а не в работе отдельных «супергенов». Этот сдвиг парадигмы — от поиска отдельных генов к анализу взаимодействия элементов генетического кода — открывает новые исследовательские подходы и значительно помогает программе гибридной селекции, позволяя правильно комбинировать огромное генетическое разнообразие кукурузы.