Формирование сахарного тростника будущего: предложены идеальная архитектура растения и стратегии селекции

В статье, опубликованной в журнале Molecular Plant 8 апреля, исследователи под руководством профессоров Ван Бина и Ли Цзяяна из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук предложили инновационную концепцию «идеальной архитектуры растения для сахарного тростника» и обсудили вызовы, возможности и стратегии её формирования.

Эта статья даёт новые идеи для достижения прорыва в урожайности сахарного тростника и имеет важное значение для обеспечения глобальной сахарной безопасности.

Сахарный тростник (Saccharum spp. hybrid) — одна из самых экономически значимых культур в мире, на которую приходится ~80% мирового производства сахара и 40% топливного этанола. Повышение его урожайности необходимо для обеспечения сахарной безопасности и развития биоэкономики. Архитектура растения — трёхмерная структурная особенность, формирующаяся в процессе морфогенеза, — оказывает глубокое влияние на урожайность и является ключевым элементом в селекции на высокую урожайность.

Однако из-за ограничений, таких как высоко сложный геном сахарного тростника, узкая генетическая основа и длительные циклы селекции, изучение и применение улучшения архитектуры в селекции отстают, оставляя значительный нереализованный потенциал для повышения урожайности.

Идеальная архитектура растения (IPA) — это морфологические и структурные характеристики растений, позволяющие им достичь максимального популяционного потенциала в заданной среде. Эта концепция была предложена профессором Ли Цзяяном и подтверждена клонированием гена IPA1 у риса. Она служит руководством для генетического улучшения и селекции по замыслу для широкого спектра культур.

Формирование IPA сахарного тростника должно быть сосредоточено на его ростовых характеристиках и целевых хозяйственных признаках, включая максимизацию биомассы стебля, увеличение содержания сахара и адаптацию к эффективной механизированной уборке.

Предлагаемая IPA сахарного тростника включает шесть ключевых признаков: равномерное кущение с минимальным количеством непродуктивных побегов, толстые и прямостоячие стебли, оптимизированная структура полога, высокая устойчивость к полеганию, сильная способность к отрастанию после среза (ratooning) и самопроизвольное опадение листьев при созревании. Вместе эти характеристики формируют план для высокоурожайного, устойчивого и удобного для механизации производства сахарного тростника.

Хотя теоретический потенциал урожайности сахарного тростника оценивается в 380 тонн с гектара, фактическая урожайность обычно составляет около 80 тонн с гектара, что указывает на значительную возможность повышения урожайности за счёт оптимизации архитектуры.

Недавние прорывы в геномике, феномике и технологиях редактирования генома открывают беспрецедентные возможности для улучшения архитектуры сахарного тростника. Высококачественные референсные геномы и исследования пангенома заложили основу для идентификации генов, регулирующих архитектуру, а технология редактирования генома позволяет точно модулировать дозировку генов у полиплоидного сахарного тростника.

De novo доместикация диких образцов сахарного тростника может быстро привести к созданию новых сортов как с желаемыми признаками урожайности, так и с высокой устойчивостью к стрессам. Молекулярная селекция по замыслу позволяет целенаправленно оптимизировать архитектуру и может значительно повысить эффективность селекции. Искусственный интеллект революционизирует селекцию сахарного тростника, интегрируя данные из множества источников и позволяя точно предсказывать фенотип.

Эти инновационные подходы предлагают преобразующий путь для сокращения разрыва в урожайности и укрепления глобальной сахарной безопасности. Более того, концепция IPA сахарного тростника служит ценным ориентиром для улучшения архитектуры и молекулярной селекции по замыслу у других высокобиомассных полиплоидных культур.