На шаг ближе к удвоению урожайности сельхозкультур
Учёные из Вагенингенского университета обнаружили естественную генетическую вариацию, влияющую на фотосинтез у растений, и расшифровывают её на уровне ДНК. Это открывает путь к выведению культур с более эффективным фотосинтезом, что повысит их урожайность и способность улавливать больше CO2 из воздуха. Это важный шаг в решении глобальных продовольственных проблем и реализации Парижского климатического соглашения.
Команда под руководством Марка Аартса и Джереми Харбинсона показала, что у резуховидки Таля (модельного растения) есть различные гены, участвующие в адаптации к изменениям освещённости. Их исследование опубликовано в Nature Communications.
Один ген — Yellow Seedling 1 — уже изучен детально. Он участвует в адаптации хлоропластов к изменениям света. Благодаря вариации в этом гене, одни растения резуховидки справляются с резким увеличением света (например, при переходе от облачного к солнечному дню) лучше других. Впервые эта вариация найдена у резуховидки, но поскольку гены фотосинтеза есть почти у всех растений, учёные ожидают найти аналогичную вариацию и у многих сельхозкультур.
Открытие доказывает, что фотосинтез можно улучшить на основе естественной генетической вариации, в чём ранее сомневались. В перспективе селекция на улучшенный фотосинтез позволит получать больший урожай с тем же количеством почвы, воды и питательных веществ, приближая концепцию «больше» (урожая) «с меньшими» (ресурсами).
Как растения адаптируют фотосинтез
Растения используют свет для превращения CO2 и воды в сахара и кислород. Сахара — основа для роста. Известно, что растения по-разному реагируют на свет, что отражается на эффективности фотосинтеза. Эта вариация помогала предкам современных культур оптимально использовать условия произрастания — как на открытом солнце, так и в тени.
Фотосинтез — процесс рискованный, требующий тонкого управления энергетическими потоками. При резком увеличении света растение должно адаптироваться. Обычно растения защищаются от избыточного фотосинтеза с помощью «буферных» механизмов, и адаптация занимает несколько дней. Исследование показало, что некоторые растения адаптируются быстрее других, оперативнее подстраивая свою фотосинтетическую систему под среду.
Селекция на фотосинтез
Современные сельхозкультуры выращиваются в контролируемых условиях с достатком воды и питательных веществ. Однако за последнее столетие растения ещё не успели полностью адаптироваться к этим новым условиям. Можно сказать, они остаются «осторожными» и медленно реагируют на резкие изменения, например, всплеск освещённости. Растения, которые адаптируются к изменению света быстрее, смогут эффективнее использовать доступные ресурсы и в итоге давать больший урожай.
Почему же в селекции так мало отбора на эффективный фотосинтез? Долгое время считалось, что фотосинтез уже оптимизирован природой и улучшить его почти невозможно. Кроме того, очень сложно измерить генетический вклад в вариацию фотосинтеза у растений в поле, что затрудняет отбор без предварительных знаний. Поскольку фотосинтез крайне чувствителен к погодным условиям, вариации в полевых условиях — даже между генетически идентичными растениями — часто очень велики.
«Мы проводили эксперименты в жёстко контролируемых условиях, сводя к минимуму вариацию внешних факторов, — поясняет Аартс. — Затем мы измеряли фотосинтез у всех растений эксперимента в разное время суток одинаковым методом, применяя лишь один стрессовый фактор: однократное увеличение количества света. Это позволило точно определить генетический вклад в адаптацию растений к новой стрессовой ситуации. С помощью одного из найденных генов мы детально изучили вариацию в последовательности ДНК между разными растениями».
Новые сорта культур
Результаты открывают новые возможности для селекционных компаний. Теперь известно, что растения по-разному реагируют на изменение света, и это заложено в их ДНК. Однако пока не ясно, как именно работают эти адаптации в растении. Требуются дополнительные исследования, чтобы понять, как улучшенный фотосинтез влияет на рост растения, прежде чем можно будет целенаправленно вести отбор по этому признаку.