Как среда и геном взаимодействуют в развитии растений
Учёные из Университета штата Айова использовали анализ данных, чтобы заглянуть «под капот» механизмов, определяющих взаимодействие генетики и меняющихся условий среды на ключевых стадиях развития растений.
Новое исследование, опубликованное в журнале New Phytologist, сосредоточено на том, как изменения температуры влияют на высоту растений сорго. Учёные заявили, что эта работа может помочь в выведении более устойчивых культур и пролить свет на механизмы, играющие критическую роль в росте растений. Исследование вращается вокруг концепции фенотипической пластичности — того, как один и тот же признак может различаться из-за условий среды. Например, растение с идентичной генетикой может вырасти разной высоты в сухой и влажной среде.
Понимание пластичности может помочь селекционерам создавать сорта, которые будут хорошо себя проявлять в различных условиях, заявил Цзяньмин Юй, профессор агрономии и соавтор исследования. Однако изучение только конечных признаков взрослых растений даёт неполную картину. Вместо этого новое исследование анализирует скорость роста сорго на критической стадии развития — между 40 и 53 днями после посадки. Фокусировка на этой фазе быстрого роста позволила детальнее изучить механизмы, управляющие фенотипической пластичностью сорго.
«Изучение фазы развития позволяет нам заглянуть под капот и увидеть, что вызывает конечные зрелые признаки», — сказал Юй.
Исследователи собрали данные по сорго, выращиваемому в Айове, Канзасе и Пуэрто-Рико в течение нескольких лет. Измерения высоты растений проводились в несколько моментов в течение сезона, что создало большой массив данных. К нему применили статистический регрессионный анализ, чтобы понять связь между высотой и суточной амплитудой температуры (разницей между ночным минимумом и дневным максимумом).
Оказалось, что увеличение суточной амплитуды температуры, как правило, приводит к уменьшению высоты растений. Эта тенденция была особенно выражена в критической фазе развития около 40–53 дней после посадки.
«Мы обнаружили, что эти гены фактически взаимодействуют со стимулами среды и контролируют максимальную скорость роста, а также время её достижения, — сказал первый автор исследования Ци Му. — И это в конечном итоге определяет конечную высоту растения».
Пластичность и изменение климата
Изменение климата повышает актуальность понимания фенотипической пластичности, отметил Юй. Поскольку климатические изменения вызывают более резкие колебания погоды, фермерам и селекционерам потребуются лучшие инструменты для прогнозирования поведения сортов в разных условиях. Например, изменение климата может привести к повышению ночных температур в некоторых регионах, что будет иметь серьёзные последствия для растениеводства, как показано в исследовании.
Изучение фенотипической пластичности позволит селекционерам разработать более точные инструменты для прогнозирования продуктивности культур в различных условиях, добавил Му.
«Из-за изменения климата культуры должны адаптироваться к разным условиям. Чтобы выводить более адаптивные культуры, мы должны понимать механизм их реакции на среду. С этими знаниями мы сможем создавать устойчивые культуры, которые будут процветать в будущих условиях», — сказал Му.
Результаты исследования были получены после анализа 3500 фенотипических записей, собранных за четыре года, и дополнительно подтверждены 13 500 записями за следующие четыре года, сообщил Сяньжань Ли, соавтор исследования.
«Были также проанализированы тысячи точек данных о погоде и генетических отпечатках», — добавил Ли.
Финансирование исследования осуществлялось USDA National Institute of Food and Agriculture, ISU Raymond F. Baker Center for Plant Breeding и ISU Plant Sciences Institute. В исследовательскую группу также входила Тинтин Го.