Гибридная сила растений: молекулярный ключ к будущему сельского хозяйства

Одним из ключевых элементов Зелёной революции, резко повысившей урожайность, стало использование гибридной силы (гетерозиса) — явления, когда скрещивание двух инбредных линий даёт потомство с превосходными качествами.

Профессор сэр Дэвид Болкомб считает, что новое молекулярное понимание гибридной силы может лечь в основу технологий модификации растений для предотвращения будущего дефицита продовольствия. Теперь станет возможным "точно предсказать, какие родители дадут лучший гибрид, и тонко настроить аспекты этого улучшения — будь то урожайность, засухоустойчивость или устойчивость к болезням".

Память растений и защита от вирусов

Основу этого понимания составляет малая интерферирующая РНК (siRNA). Растения, как и животные, имеют механизмы защиты от болезней и "памяти" о прошлых инфекциях. Важнейшая защита от вирусов, открытая профессором Болкомбом, — РНК-интерференция (RNA silencing).

Клетки растения распознают чужеродный генетический материал вируса, копируют его участок в siRNA и используют её как "определитель специфичности". siRNA связывается с вирусным геномом, что приводит к связыванию белка Argonaute и остановке работы вируса.

"Подобно тому, как наша иммунная система может быть подготовлена инфекцией для более быстрой борьбы в будущем, клетки растений сохраняют siRNA как средство усиления защитного ответа при следующей встрече с захватчиком", — объяснил профессор Болкомб.

Это открывает возможность снабдить растение siRNA, чтобы оно было постоянно и генетически способно бороться с болезнью, которую никогда не "видело".

Высвобождение скрытого потенциала

Оказалось, что РНК-интерференция важна не только для защиты от патогенов. У современных растений этот механизм также защищает их от воздействия "эгоистичной" ДНК (junk DNA) — реликтов прошлых вирусных инфекций или подвижных генетических элементов, способных "прыгать" по геному. Растения используют siRNA, чтобы "заглушить" эту эгоистичную ДНК в своих геномах.

"Мы теперь понимаем, что поскольку разные сорта одного растения имеют разную эгоистичную ДНК и разные siRNA для борьбы с ней, это может быть одним из механизмов, объясняющих загадку гибридной силы", — сказал профессор Болкомб. "Скрещивание двух сортов приводит к смеси siRNA, отличной от родительской. В некоторых случаях новая смесь оптимально включает и выключает нужную комбинацию генов, в результате чего потомство оказывается лучше любого из родителей".

При поддержке Biotechnology and Biological Sciences Research Council, Европейского союза, Королевского общества и Фонда Гэтсби и с использованием новых данных о последовательностях ДНК многих культур команда профессора Болкомба начинает применять это новое понимание, предсказывая, какая смесь siRNA даст улучшенное потомство.

Это открывает путь к кардинальному изменению будущей селекции растений, позволяя на беспрецедентном молекулярном уровне предсказывать, как можно улучшить культуры, раскрывая скрытый потенциал растительных геномов.