Повышение урожайности сельхозкультур через селекцию растений на кооперацию

Простой селекционный эксперимент в сочетании с генетическим анализом может быстро выявить гены, способствующие кооперации и повышению урожайности популяций растений. К такому выводу пришло новое исследование, опубликованное 29 ноября в открытом журнале PLOS Biology группой учёных под руководством Самуэля Веста из Университета Цюриха и Agroscope (Швейцария). Результаты могут быстро повысить продуктивность сельхозкультур с помощью традиционных методов селекции.

Согласно классической эволюционной теории, особи конкурируют, и те, у кого наиболее конкурентно-преимущественные гены, оставляют больше потомства с этими же «выигрышными» генами. Это создаёт проблему для селекционеров, которым часто нужно отбирать растения, которые кооперируются, а не конкурируют. В плотном монокультурном посеве кукурузы или пшеницы общая урожайность может быть выше, если отдельные растения избегают чрезмерного роста в высоту или ширину листьев («Зелёная революция» середины XX века во многом опиралась на внедрение карликовых аллелей в основные зерновые культуры).

Обнаружение аллелей (вариантов генов, различающихся у особей), способствующих кооперации, — сложная задача. Авторы разработали систему для их выявления. В соответствии с теорией игр, они предположили, что наиболее кооперативный генотип будет показывать лучшие результаты с такими же кооперативными соседями, но будет плохо себя чувствовать рядом с эгоистичными, высококонкурентными соседями.

В качестве модели использовалось растение Arabidopsis. Учёные сравнили продуктивность конкретного растения при выращивании с генетически схожей особью (моделирование монокультуры) с его продуктивностью при выращивании с набором «тестерных» генотипов, различающихся стратегиями роста. Определив как общую жизнеспособность каждого растения (по надземной биомассе), так и разницу в его росте в двух ситуациях, они смогли выявить растения, которые максимизировали и способность к быстрому росту, и способность к кооперации с генетически схожими особями, чтобы их соседи тоже хорошо росли.

Используя эти данные и опубликованные данные о полиморфизмах по всему геному, учёные нашли гены, связанные с кооперативным признаком. Он наиболее сильно ассоциировался с небольшой группой сцепленных полиморфизмов, в частности — с минорным аллелем одного гена. Когда растения с этим минорным аллелем выращивали вплотную друг к другу, они в совокупности производили на 15% больше биомассы при высокой плотности посева, чем растения с мажорным аллелем в том же локусе. Кооперативный эффект сопровождался снижением конкуренции корней — соседние растения, возможно, тратили меньше энергии на проникновение в корневые зоны друг друга за питательными веществами.

По словам Веста, эту же сравнительную стратегию можно использовать для обнаружения кооперативных аллелей для любой измеряемой характеристики. «Такую вариативность, будучи обнаруженной у сельхозкультуры, можно быстро использовать в современных селекционных программах для эффективного повышения урожайности».

Вост добавляет: «Идеи, вдохновившие эту работу, не новы, многие были сформулированы десятилетия назад. И всё же мысль о том, что мы, люди, один из самых кооперативных видов, можем получить выгоду, сделав более кооперативными и наши сельхозкультуры, до сих пор интригует нас».