Новые генетические приемы для повышения урожайности сельскохозяйственных культур берут пример с древних земледельцев

Когда крестьяне в древние времена собирали урожай, некоторые сохраняли семена, полученные от наиболее удачных растений, и высевали их на следующий год. Постепенно этот отбор приводил к лучшим и лучшим результатам, таким как увеличение размера и количества зерен кукурузы - признаки, которые помогли проложить путь к современной кукурузе. Теперь группа исследователей под руководством ученых из Китая выявила единственный ген, стоящий за этим важнейшим повышением продуктивности кукурузы, и связала его с ранними улучшениями урожаев риса.

"Я никогда раньше не видел ничего подобного, - говорит Мэтью Пол, генетик растений из Rothamsted Research, который не участвовал в новом исследовании. Это открытие позволяет предположить, что можно улучшить другие зерновые культуры, такие как пшеница, изменив всего один ген. "Обнаружение чего-то подобного, что может сдвинуть с мертвой точки, очень интригует, - говорит Джефф Хаббен, физиолог растений из компании Corteva, занимающейся выведением новых сортов кукурузы и других культур.

Урожайность зерновых обычно контролируется сложным набором многих генов, поэтому традиционным селекционерам трудно добиться более чем незначительных успехов каждый год. В 2004 году генетик и селекционер кукурузы Ли Цзяньшэн из Китайского сельскохозяйственного университета (CAU) начал изучать генетику теосинте, тщедушного дикого предка кукурузы, который первые фермеры одомашнили и вывели для создания съедобной кукурузы. Одно большое изменение: Если у теосинте было всего два ряда зерен, то у современной кукурузы их более десятка. Чтобы понять, что изменилось в генетическом плане, Ли и его коллеги потратили годы на создание экспериментального промежуточного сорта кукурузы с шестью рядами зерен.

Сопоставив генетические маркеры, Ли и еще более многочисленная команда выявили ген, который влияет на количество рядов зерен у этой кукурузы, выращенной в лаборатории. Они назвали этот ген KRN2, что означает "число рядов зерен". Два вида экспериментов продемонстрировали действие KRN2. Когда исследователи увеличивали активность гена, растения производили початки с двумя меньшими рядами зерен. В противоположность этому, когда они вырубали ген, растения производили початки с двумя дополнительными рядами. В полевых испытаниях выключение гена увеличило вес урожая кукурузы на 10% без явных нежелательных побочных эффектов, сообщает сегодня группа исследователей в журнале Science.

По словам исследователей, их исследования позволяют предположить, что древние фермеры, выращивающие кукурузу, по сути, отбирали генетические изменения в области ДНК, которая тормозит активность KRN2; эти изменения ослабляли тормоз, тем самым увеличивая ряды зерен. Команда обнаружила, что древние земледельцы, выращивающие рис, также могли использовать подобный генетический механизм. Ян Сяохун, молекулярный биолог из CAU, помог показать, что очень похожий ген, который они назвали OsKRN2, выполняет ту же функцию в рисе, влияя на количество метелок - маленьких веточек, несущих семена. "Когда осенью 2020 года мы получили результаты, мы были в восторге", - говорит она. Полевые испытания показали, что отключение OsKRN2 повысило урожайность риса на 8%.

Исследователи все еще пытаются понять, как именно эти два гена влияют на количество зерен в рисе или кукурузе. Большая часть этой работы связана с сортами риса и кукурузы, которые в основном используются для исследований, но команда также модифицировала KRN2 в одном из самых распространенных сортов кукурузы, выращиваемых в Китае, под названием Zhengdan958. "Именно здесь резина попадает на дорогу, с точки зрения промышленности", - говорит Хаббен. Первые результаты показывают, что выключение гена добавляет один дополнительный ряд зерен".

Тем временем исследователи из CAU пытаются модифицировать версию KRN2 в пшенице, полагая, что KRN2 также может способствовать увеличению урожайности других зерновых культур. Команда CAU также планирует проверить, может ли KRN2 помочь повысить урожайность зерновых у диких родственников трав, что станет первым шагом к созданию новых сельскохозяйственных культур, обладающих повышенной устойчивостью к более жестким условиям окружающей среды, таким как засуха или жара.

Может оказаться, что существует еще много ключевых генов сельскохозяйственных культур, которым древние земледельцы неосознанно отдавали предпочтение и которые теперь могут быть использованы современными селекционерами. В качестве первого шага к их выявлению один из авторов нового исследования, молекулярный селекционер Янь Цзяньбин из Хуачжунского сельскохозяйственного университета, искал признаки отбора в геномах риса и кукурузы. Он и его коллеги обнаружили 488 генов, помимо KRN2 и OsKRN2, которые подверглись отбору в обоих злаках. Кан Ванг, молекулярный биолог из Университета штата Айова, впечатлена масштабами анализа. "Они дают прекрасные доказательства", - говорит она. "Это тяжелая работа".

Многие из этих генов участвуют в метаболизме крахмала, что вполне логично, поскольку растения наполняют свои семена крахмалом. Давным-давно фермеры, вероятно, отбирали растения с такими генами, чтобы помочь наполнить свои желудки более щедрыми урожаями риса и кукурузы.