Синтетическая система апомиксиса в гибридном рисе демонстрирует потенциал для производства семян
Апомиксис — это форма бесполого размножения, позволяющая гибридному рису размножаться семенами. Совместная исследовательская группа под руководством профессора Ли Цзяяна из Института генетики и биологии развития Китайской академии наук создала новую синтетическую систему апомиксиса, используя эндогенный ген риса OsWUS. Эта система обеспечивает нормальную завязываемость семян.
Результаты исследования опубликованы в журнале Plant Communications.
Выращивание и широкое использование гибридного риса сыграли ключевую роль в повышении урожайности зерна и обеспечении продовольственной безопасности в Китае. Однако из-за генетической рекомбинации и расщепления признаков гибридный рис нельзя сохранять для семян, как обычные сорта. Это требует от селекционеров и семенных компаний ежегодных трудоёмких и дорогостоящих усилий по производству гибридных семян, а фермеры вынуждены каждый год закупать новый посевной материал.
В предыдущих синтетических системах апомиксиса гены, ответственные за индукцию партеногенеза, были первоначально обнаружены у растений, способных к естественному апомиксису. В данном исследовании учёные обнаружили, что эндогенный ген риса OsWUS можно регулировать для индукции апомиксиса и получения клоновых семян без влияния на завязываемость.
OsWUS, также известный как MOC3, играет важную роль в регуляции формирования и развития пазушных почек, что было показано в более ранних работах команды Ли. Мутации в MOC3 приводят к нарушению формирования почек и значительному снижению их числа.
Кроме того, сверхэкспрессия WUS может способствовать соматическому эмбриогенезу и регенерации побегов у таких растений, как Arabidopsis.
Совместно с Национальной лабораторией Ячжоувань и Китайским национальным научно-исследовательским институтом риса команда Ли создала вектор для эктопической экспрессии OsWUS под контролем специфичного для яйцеклетки промотора Arabidopsis pAtDD45 и трансформировала его в гибридный рис Чунью 84 (CY84).
При трансформации только OsWUS наблюдались трудности с регенерацией растений, карликовость и стерильность. Однако, комбинируя эктопическую экспрессию OsWUS со стратегией MiMe (Митоз вместо Мейоза), исследователи получили линии Fix3 (Фиксация гибридов 3), которые демонстрировали нормальный рост и развитие.
Конфокальная микроскопия показала, что примерно у 20% кастрированных семяпочек Fix3 развитие зародыша происходило независимо от оплодотворения. Это указывает, что специфичная для яйцеклетки экспрессия OsWUS может частично заменять процесс оплодотворения и индуцировать партеногенез.
Кроме того, линии Fix3 проявляли агрономические признаки, сходные с таковыми у гибридного риса дикого типа, включая полностью нормальную завязываемость семян и высокую эффективность получения клоновых семян. У некоторых линий эффективность клонирования достигала примерно 21,7%.
Дальнейший фенотипический анализ показал, что потомство этих клоновых растений демонстрировало характеристики, высоко сходные с гибридным рисом дикого типа, и сохраняло нормальную завязываемость семян.
Система апомиксиса Fix3 на основе OsWUS также продемонстрировала различный уровень эффективности получения клоновых семян в разных линиях, значительно превосходя систему Fix2, созданную с использованием OsBBM4. Это указывает на больший потенциал для практического применения.
Однако по сравнению с системами апомиксиса на основе OsBBM1 и гена PAR одуванчика эффективность клонирования текущей системы на основе OsWUS всё ещё нуждается в улучшении.
В будущем поиск дополнительных специфичных для яйцеклетки промоторов или включение большего числа эндогенных генов, не влияющих на завязываемость семян, может дополнительно повысить эффективность клонирования при сохранении нормальной урожайности семян.
Кроме того, поскольку гомологи OsWUS существуют у многих сельскохозяйственных культур, эта система потенциально может быть распространена на другие гибридные культуры, способствуя более широкому использованию гетерозиса.