Прорыв в генетике риса

Международной команде ученых удалось размножить коммерческий гибридный сорт риса через семена так, чтобы растения-потомки были генетически идентичны материнскому растению. Это может снизить стоимость гибридных семян риса, сделав высокоурожайные, устойчивые к болезням сорта доступными для фермеров с низким доходом.

Гибриды первого поколения часто у сельскохозяйственных культур демонстрируют более высокую производительность, чем их родительские растения. Данное явление известно как гетерозис, а в английской литературе часто называется hybrid vigor, что можно перевести как «гибридная сила». Но этот эффект не сохраняется среди растений-потомков этих гибридов. Поэтому, когда фермеры хотят использовать высокопроизводительные гибридные сорта растений, им необходимо каждый сезон покупать новые семена гибридов первого поколения (обычно они обозначаются F1).

Рис, основная культура для половины населения земного шара, является относительно дорогостоящим для выращивания в качестве гибрида. обеспечивающего повышение урожайности примерно на 10 %. «Это означает, что преимущества гибридов риса еще не дошли до многих фермеров мира», — говорит Гурдев Кхуш, почетный адъюнкт-профессор кафедры растениеводства Калифорнийского университета в Дэвисе. С 1967 года до выхода на пенсию в 2002 году Гурдев Кхуш работал в Международном научно-исследовательском институте риса, а затем в Калифорнийском университете в Дэвисе и руководил работами по созданию новых высокоурожайных сортов риса. За эту работу в 1996 году он получил Всемирную продовольственную премию.

Одним из решений этой проблемы было бы разведение гибридов в виде клонов, которые оставались бы идентичными от поколения к поколению. Подобное явление известно среди растений. Биологи называют его апомиксис. Оно аналогично партеногенезу животных. Семена в этом случае возникают без оплодотворения: либо в результате разновидности мейоза, не уменьшающей вдвое число хромосом, либо из диплоидных клеток семязачатка.

«Если у вас есть гибрид, если вы можете вызвать апомиксис, то вы сможете сажать его каждый год», — говорит профессор Кхуш. Однако добиться апомиксиса у основных сельскохозяйственных растений оказалось трудно.

В 2019 году группа под руководством профессора Венкатесана Сундаресана и доцента Имтияза Кхандая с факультетов биологии растений и растениеводства Калифорнийского университета в Дэвисе добилась апомиксиса на растениях риса, при этом клонами родительского растения становилось около 30 % семян. Теперь же Сундаресан, Кхандай и их коллеги из Франции, Германии и Ганы достигли 95-процентной эффективности клонирования, используя коммерческий гибридный сорт риса, и показали, что этот процесс может поддерживаться как минимум в трех поколениях.

Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-35679-3

Одноэтапный процесс включает модификацию трех генов, называемых MiMe, которые заставляют растение переключаться с мейоза на митоз, при котором клетка делится на две копии самой себя. Другая модификация гена вызывает апомиксис. В результате получается семя, из которого может вырасти растение, генетически идентичное своему родителю.

По словам Гурдева Кхуша, метод позволит семеноводческим компаниям производить гибридные семена быстрее и в больших масштабах, а также предоставлять семена, которые фермеры смогут сохранять и пересаживать из сезона в сезон. «Апомиксис сельскохозяйственных культур был объектом исследований во всем мире на протяжении более 30 лет, потому что он может сделать производство гибридных семян доступным для всех, — добавляет профессор Сундаресан. — Полученное в результате увеличение урожайности может помочь удовлетворить глобальные потребности населения без необходимости увеличения использования земли, воды и удобрений до неприемлемого уровня».

По словам Сундаресана, результаты могут быть применены к другим пищевым культурам. В частности, рис является генетической моделью для других зерновых культур, включая кукурузу и пшеницу.

Работа была опубликована в журнале Nature Communications.